Medir o hélio em galáxias distantes pode dar aos físicos uma visão sobre por que o universo existe

Republicado por Platão

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Quando físicos teóricos como eu dizem que estamos estudando por que o universo existe, parecemos filósofos. Mas novos dados coletados por pesquisadores usando o Japão telescópio Subaru revelou insights sobre essa mesma questão.

O Big Bang deu o pontapé inicial no universo como a conhecemos há 13.8 bilhões de anos. muitas teorias na física de partículas sugerem que, para toda a matéria criada na concepção do universo, uma quantidade igual de antimatéria deveria ter sido criada ao lado dela. A antimatéria, como a matéria, tem massa e ocupa espaço. No entanto, as partículas de antimatéria exibem as propriedades opostas de suas partículas de matéria correspondentes.

Quando pedaços de matéria e antimatéria colidem, eles aniquilar uns aos outros em uma poderosa explosão, deixando para trás apenas energia. O intrigante sobre as teorias que prevêem a criação de um equilíbrio igualitário entre matéria e antimatéria é que, se fossem verdadeiras, as duas teriam se aniquilado totalmente, deixando o universo vazio. Portanto, deve ter havido mais matéria do que antimatéria no nascimento do universo, porque o universo não é vazio; está cheio de coisas feitas de matéria, como galáxias, estrelas e planetas. Um pouco de antimatéria existe ao nosso redor, mas é muito raro.

Como um físico trabalhando em dados Subaru, estou interessado neste chamado problema de assimetria matéria-antimatéria. No nosso estudo recente, meus colaboradores e eu descobrimos que a nova medição do telescópio da quantidade e tipo de hélio em galáxias distantes pode oferecer uma solução para esse mistério de longa data.

Depois do Big Bang

Nos primeiros milissegundos após o Big Bang, o universo era quente, denso e cheio de partículas elementares como prótons, nêutrons e elétrons nadando em um plasma. Também presentes neste pool de partículas estavam neutrinos, que são partículas muito pequenas, de interação fraca, e antineutrinos, suas contrapartes de antimatéria.

Os físicos acreditam que apenas um segundo após o Big Bang, os núcleos de luz elementos como hidrogênio e o hélio começou a se formar. Este processo é conhecido como Nucleossíntese do Big Bang. Os núcleos formados foram cerca de 75 por cento de núcleos de hidrogênio e 24 por cento de núcleos de hélio, além de pequenas quantidades de núcleos mais pesados.

A comunidade da física teoria mais aceita sobre a formação destes núcleos diz-nos que os neutrinos e antineutrinos desempenharam um papel fundamental na criação dos núcleos de hélio, em particular.

A criação do hélio no início do universo aconteceu em um processo de duas etapas. Primeiro, nêutrons e prótons convertidos de um para o outro em uma série de processos envolvendo neutrinos e antineutrinos. À medida que o universo esfriou, esses processos pararam e o proporção de prótons para nêutrons foi definido.

Como físicos teóricos, podemos criar modelos para testar como a proporção de prótons para nêutrons depende do número relativo de neutrinos e antineutrinos no início do universo. Se mais neutrinos estavam presentes, então nossos modelos mostram que mais prótons e menos nêutrons existiriam como resultado.

À medida que o universo esfriava, hidrogênio, hélio e outros elementos formada a partir desses prótons e nêutrons. O hélio é composto de dois prótons e dois nêutrons, e o hidrogênio é apenas um próton e nenhum nêutron. Portanto, quanto menos nêutrons disponíveis no universo primitivo, menos hélio seria produzido.

Porque os núcleos formados durante a nucleossíntese do Big Bang ainda pode ser observado hoje, os cientistas podem inferir quantos neutrinos e antineutrinos estavam presentes durante o início do universo. Eles fazem isso olhando especificamente para galáxias que são ricas em elementos leves como hidrogênio e hélio.

Um diagrama mostrando como prótons e nêutrons formam átomos de hélio. — Em uma série de colisões de partículas de alta energia, elementos como o hélio são formados no início do universo. Aqui, D representa deutério, um isótopo de hidrogênio com um próton e um nêutron, e γ representa fótons, ou partículas de luz. Na série de reações em cadeia mostrada, prótons e nêutrons se fundem para formar deutério, então esses núcleos de deutério se fundem para formar núcleos de hélio. Crédito da imagem: Anne-Katherine Burns

Uma pista em hélio

No ano passado, a Colaboração Subaru - um grupo de cientistas japoneses trabalhando no telescópio Subaru - divulgou dados sobre 10 galáxias muito além do nosso, que são quase exclusivamente compostos de hidrogênio e hélio.

Usando uma técnica que permite aos pesquisadores distinguir diferentes elementos uns dos outros com base nos comprimentos de onda da luz observado no telescópio, os cientistas da Subaru determinaram exatamente quanto hélio existe em cada uma dessas 10 galáxias. É importante ressaltar que eles encontraram menos hélio do que a teoria previamente aceita previa.

Com este novo resultado, meus colaboradores e eu trabalhamos para trás para encontrar o número de neutrinos e antineutrinos necessário para produzir a abundância de hélio encontrada nos dados. Lembre-se de sua aula de matemática da nona série, quando lhe pediram para resolver o “X” em uma equação. O que minha equipe fez foi essencialmente a versão mais sofisticada disso, onde nosso “X” era o número de neutrinos ou antineutrinos.

A teoria previamente aceita previa que deveria haver o mesmo número de neutrinos e antineutrinos no início do universo. No entanto, quando ajustamos essa teoria para nos dar uma previsão que correspondia ao novo conjunto de dados, nós achamos isso o número de neutrinos era maior que o número de antineutrinos.

O que significa tudo isso?

Esta análise de novos dados de galáxias ricas em hélio tem uma consequência de longo alcance – pode ser usada para explicar a assimetria entre matéria e antimatéria. Os dados da Subaru nos apontam diretamente para a fonte desse desequilíbrio: os neutrinos. Neste estudo, meus colaboradores e eu provamos que esta nova medição de hélio é consistente com a existência de mais neutrinos do que antineutrinos no início do universo. Através processos de física de partículas conhecidos e prováveis, a assimetria nos neutrinos poderia se propagar em uma assimetria em toda a matéria.

O resultado do nosso estudo é um tipo comum de resultado no mundo da física teórica. Basicamente, descobrimos uma maneira viável pela qual a assimetria matéria-antimatéria poderia ter sido produzida, mas isso não significa que definitivamente foi produzida dessa maneira. O fato de os dados se adequarem à nossa teoria é um indício de que a teoria que propusemos pode ser a correta, mas esse fato por si só não significa que seja.

Então, esses minúsculos neutrinos são a chave para responder à velha pergunta: “Por que alguma coisa existe?” De acordo com esta nova pesquisa, eles podem ser.

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

Crédito de imagem: NASA