Quando se trata de compreender a estrutura do universo, muito do que os cientistas pensam que existe está relegado a um domínio escuro e obscuro. A matéria comum, aquilo que podemos ver e tocar, representa apenas 5% do cosmos. O resto, dizem os cosmólogos, é energia escura e matéria escura, substâncias misteriosas que são rotuladas como “escuras”, em parte para reflectir a nossa ignorância sobre a sua verdadeira natureza.

Embora nenhuma ideia isolada possa explicar tudo o que esperamos saber sobre o cosmos, uma ideia introduzida há dois anos poderia responder a algumas grandes questões. Chamou o cenário da dimensão escura, oferece uma receita específica para a matéria escura e sugere uma conexão íntima entre a matéria escura e a energia escura. O cenário também pode nos dizer por que a gravidade – que esculpe o universo nas maiores escalas – é tão fraca em comparação com outras forças.

O cenário propõe uma dimensão ainda não vista que vive dentro do já complexo domínio da teoria das cordas, que tenta unificar a mecânica quântica e a teoria da gravidade de Einstein. Além das quatro dimensões familiares – três dimensões espaciais infinitamente grandes mais uma de tempo – a teoria das cordas sugere que existem seis dimensões espaciais extremamente pequenas.

No universo da dimensão escura, uma dessas dimensões extras é significativamente maior que as outras. Em vez de ser 100 milhões de biliões de vezes mais pequeno que o diâmetro de um protão, mede cerca de 1 mícron de diâmetro – um minuto para os padrões quotidianos, mas enorme em comparação com os outros. Partículas massivas que transportam a força gravitacional são geradas nesta dimensão escura e constituem a matéria escura que os cientistas pensam que compreende cerca de 25% do nosso universo e forma a cola que mantém as galáxias unidas. (As estimativas actuais sustentam que os restantes 70% consistem em energia escura, que está a impulsionar a expansão do Universo.)

O cenário “nos permite fazer conexões entre a teoria das cordas, a gravidade quântica, a física de partículas e a cosmologia, [enquanto] aborda alguns dos mistérios relacionados a elas”, disse Inácio Antoniadis, um físico da Universidade Sorbonne que está investigando ativamente a proposta da dimensão escura.

Embora ainda não haja evidências de que a dimensão escura exista, o cenário faz previsões testáveis ​​tanto para observações cosmológicas como para física de mesa. Isso significa que talvez não tenhamos de esperar muito para ver se a hipótese resistirá ao escrutínio empírico — ou se será relegada à lista de ideias tentadoras que nunca cumpriram a sua promessa original.

“A dimensão escura imaginada aqui”, disse o físico Rajesh Gopakumar, diretor do Centro Internacional de Ciências Teóricas em Bengaluru, tem “a virtude de ser potencialmente descartado com bastante facilidade à medida que os próximos experimentos se tornam mais nítidos”.

Adivinhando a Dimensão Negra

A dimensão escura foi inspirada por um mistério de longa data relativo à constante cosmológica - um termo, designado pela letra grega lambda, que Albert Einstein introduziu nas suas equações da gravidade em 1917. Acreditando num universo estático, como fizeram muitos dos seus pares , Einstein adicionou o termo para evitar que as equações descrevessem um universo em expansão. Mas na década de 1920, os astrónomos descobriram que o Universo está de facto a crescer e, em 1998, observaram que está a crescer a um ritmo acelerado, impulsionado pelo que hoje é comummente referido como energia escura – que também pode ser denotada nas equações por lambda.

Desde então, os cientistas têm lutado com uma característica marcante do lambda: seu valor estimado de 10^-122 em unidades Planck é “o menor parâmetro medido em física”, disse Cumrun Vafa, um físico da Universidade de Harvard. Em 2022, ao considerar aquela pequenez quase insondável com dois membros de sua equipe de pesquisa — Miguel Montero, agora no Instituto de Física Teórica de Madrid, e Irene Valenzuela, atualmente no CERN — Vafa teve um insight: um lambda tão minúsculo é um parâmetro verdadeiramente extremo, o que significa que poderia ser considerado dentro da estrutura do trabalho anterior de Vafa na teoria das cordas.

Anteriormente, ele e outros formularam uma conjectura que explica o que acontece quando um parâmetro físico importante assume um valor extremo. Chamada de conjectura da distância, refere-se à “distância” num sentido abstrato: quando um parâmetro se move em direção ao limite remoto da possibilidade, assumindo assim um valor extremo, haverá repercussões para os outros parâmetros.

Assim, nas equações da teoria das cordas, os valores-chave – como massas de partículas, lambda ou as constantes de acoplamento que determinam a força das interações – não são fixos. Alterar um afetará inevitavelmente os outros.

Por exemplo, um lambda extraordinariamente pequeno, como foi observado, deveria ser acompanhado por partículas muito mais leves e de interação fraca, com massas diretamente ligadas ao valor do lambda. “O que poderiam ser?” Vafa se perguntou.

Enquanto ele e seus colegas ponderavam sobre essa questão, eles perceberam que a conjectura da distância e a teoria das cordas se combinaram para fornecer mais um insight importante: para que essas partículas leves apareçam quando lambda é quase zero, uma das dimensões extras da teoria das cordas deve ser significativamente maior que a outros – talvez grandes o suficiente para detectarmos a sua presença e até medi-la. Eles chegaram à dimensão escura.

A Torre Negra

Para compreender a génese das partículas de luz inferidas, precisamos de retroceder a história cosmológica até ao primeiro microssegundo após o Big Bang. Nessa época, o cosmos era dominado pela radiação – fótons e outras partículas que se moviam perto da velocidade da luz. Estas partículas já são descritas pelo Modelo Padrão da física de partículas, mas no cenário da dimensão escura, uma família de partículas que não faz parte do Modelo Padrão pode surgir quando as familiares se colidem.

“De vez em quando, essas partículas de radiação colidiam umas com as outras, criando o que chamamos de ‘grávitons escuros'”, disse Georges Obied, um físico da Universidade de Oxford que ajudou a criar a teoria dos grávitons escuros.

Normalmente, os físicos definem os grávitons como partículas sem massa que viajam à velocidade da luz e transmitem a força gravitacional, semelhante aos fótons sem massa que transmitem a força eletromagnética. Mas neste cenário, como explicou Obied, estas primeiras colisões criaram um tipo diferente de gráviton – algo com massa. Mais do que isso, eles produziram uma série de grávitons diferentes.

“Existe um gráviton sem massa, que é o gráviton usual que conhecemos”, disse Obied. “E há infinitas cópias de grávitons escuros, todas massivas.” As massas dos grávitons escuros postulados são, grosso modo, um número inteiro vezes uma constante, M, cujo valor está vinculado à constante cosmológica. E há toda uma “torre” deles com uma ampla gama de massas e níveis de energia.

Para ter uma ideia de como tudo isso pode funcionar, imagine nosso mundo quadridimensional como a superfície de uma esfera. Nunca podemos sair dessa superfície - para o bem ou para o mal - e isso também se aplica a todas as partículas do Modelo Padrão.

Os grávitons, entretanto, podem ir a qualquer lugar, pela mesma razão que a gravidade existe em todos os lugares. E é aí que entra a dimensão sombria.

Para imaginar essa dimensão, disse Vafa, pense em cada ponto da superfície imaginada do nosso mundo quadridimensional e anexe a ele um pequeno laço. Esse loop é (pelo menos esquematicamente) a dimensão extra. Se duas partículas do Modelo Padrão colidirem e criarem um gráviton, o gráviton “pode vazar para esse círculo extradimensional e viajar em torno dele como uma onda”, disse Vafa. (A mecânica quântica nos diz que cada partícula, incluindo grávitons e fótons, pode se comportar tanto como uma partícula quanto como uma onda – um conceito de 100 anos conhecido como dualidade onda-partícula.)

À medida que os grávitons vazam para a dimensão escura, as ondas que produzem podem ter frequências diferentes, cada uma correspondendo a diferentes níveis de energia. E esses grávitons massivos, viajando em torno do laço extradimensional, produzem uma influência gravitacional significativa no ponto onde o laço se liga à esfera.

“Talvez esta seja a matéria escura?” Vafa refletiu. Afinal, os grávitons que eles criaram interagiam fracamente, mas eram capazes de reunir algum peso gravitacional. Um mérito da ideia, observou ele, é que os grávitons fazem parte da física há 90 anos, tendo sido propostos pela primeira vez como portadores da força gravitacional. (Deve-se notar que os grávitons são partículas hipotéticas e não foram detectadas diretamente.) Para explicar a matéria escura, “não precisamos introduzir uma nova partícula”, disse ele.

Os grávitons que podem vazar para o domínio extradimensional são “candidatos naturais à matéria escura”, disse Georgi Dvali, diretor do Instituto Max Planck de Física, que não está trabalhando diretamente na ideia da dimensão escura.

Uma dimensão grande, como a dimensão escura postulada, teria espaço para comprimentos de onda longos, o que implica partículas de baixa frequência, baixa energia e baixa massa. Mas se um gráviton escuro vazasse para uma das minúsculas dimensões da teoria das cordas, o seu comprimento de onda seria extremamente curto e a sua massa e energia muito altas. Partículas supermassivas como esta seriam instáveis ​​e de vida muito curta. Eles “já teriam desaparecido há muito tempo”, disse Dvali, “sem ter a possibilidade de servir como matéria escura no universo atual”.

A gravidade e seu portador, os grávitons, permeiam todas as dimensões da teoria das cordas. Mas a dimensão escura é tão maior – em muitas ordens de magnitude – do que as outras dimensões extras que a força da gravidade seria diluída, fazendo com que parecesse fraca em nosso mundo quadridimensional, se estivesse se infiltrando apreciavelmente na dimensão escura mais espaçosa. . “Isso explica a extraordinária diferença [em força] entre a gravidade e as outras forças”, disse Dvali, observando que este mesmo efeito seria visto em outros cenários extradimensionais.

Dado que o cenário da dimensão escura pode prever coisas como a matéria escura, pode ser submetido a um teste empírico. “Se eu lhe der alguma correlação que você nunca poderá testar, você nunca poderá provar que estou errado”, disse Valenzuela, coautor do papel original de dimensão escura. “É muito mais interessante prever algo que você pode realmente provar ou refutar.”

Enigmas do Escuro

Os astrónomos sabem que a matéria escura existe - pelo menos de alguma forma - desde 1978, quando a astrónoma Vera Rubin estabeleceu que as galáxias giravam tão rapidamente que as estrelas nas suas franjas mais exteriores seriam lançadas para longe se não fossem os vastos reservatórios de alguma substância invisível. substância que os retém. Identificar essa substância, no entanto, revelou-se muito difícil. Apesar de quase 40 anos de esforços experimentais para detectar matéria escura, nenhuma partícula desse tipo foi encontrada.

Se a matéria escura acabar sendo grávitons escuros, que interagem extremamente fracamente, disse Vafa, isso não mudará. “Eles nunca serão encontrados diretamente.”

Mas pode haver oportunidades para detectar indiretamente as assinaturas desses grávitons.

Uma estratégia que Vafa e os seus colaboradores estão a seguir baseia-se em pesquisas cosmológicas em grande escala que mapeiam a distribuição das galáxias e da matéria. Nessas distribuições, pode haver “pequenas diferenças no comportamento de agrupamento”, disse Obied, que sinalizariam a presença de grávitons escuros.

Quando os grávitons escuros mais pesados ​​decaem, eles produzem um par de grávitons escuros mais claros com uma massa combinada que é ligeiramente menor que a de sua partícula original. A massa que falta é convertida em energia cinética (de acordo com a fórmula de Einstein, E = mc²), o que dá um impulso aos grávitons recém-criados – uma “velocidade de chute” estimada em cerca de um décimo milésimo da velocidade da luz.

Essas velocidades de avanço, por sua vez, podem afetar a forma como as galáxias se formam. De acordo com o modelo cosmológico padrão, as galáxias começam com um aglomerado de matéria cuja atração gravitacional atrai mais matéria. Mas os grávitons com velocidade de chute suficiente podem escapar desse controle gravitacional. Se o fizerem, a galáxia resultante será ligeiramente menos massiva do que o modelo cosmológico padrão prevê. Os astrônomos podem procurar essa diferença.

Observações recentes da estrutura cósmica da Pesquisa Kilo-Degree são até agora consistentes com a dimensão escura: Uma análise dos dados dessa pesquisa colocou um limite superior na velocidade do chute muito próxima do valor previsto por Obied e seus coautores. Um teste mais rigoroso virá do telescópio espacial Euclides, lançado em julho passado.

Enquanto isso, os físicos também planejam testar a ideia da dimensão escura em laboratório. Se a gravidade estiver vazando para uma dimensão escura que mede 1 mícron de diâmetro, pode-se, em princípio, procurar quaisquer desvios da força gravitacional esperada entre dois objetos separados pela mesma distância. Não é uma experiência fácil de realizar, disse Armin Shayeghi, um físico da Academia Austríaca de Ciências que está conduzindo o teste. Mas “há uma razão simples para termos de fazer esta experiência”, acrescentou: não saberemos como a gravidade se comporta a distâncias tão próximas até olharmos.

A medição mais próxima até o momento – realizado em 2020 na Universidade de Washington – envolveu uma separação de 52 mícrons entre dois corpos de teste. O grupo austríaco espera eventualmente atingir a faixa de 1 mícron prevista para a dimensão escura.

Embora os físicos considerem a proposta da dimensão escura intrigante, alguns estão céticos quanto à possibilidade de que funcione. “Buscar dimensões extras através de experimentos mais precisos é algo muito interessante de se fazer”, disse Juan Maldacena, físico do Instituto de Estudos Avançados, “embora eu ache que a probabilidade de encontrá-los seja baixa”.

José Conlon, físico de Oxford, compartilha desse ceticismo: “Há muitas ideias que seriam importantes se fossem verdadeiras, mas provavelmente não o são. Este é um deles. As conjecturas em que se baseia são um tanto ambiciosas e penso que as evidências atuais para elas são bastante fracas.”

É claro que o peso da evidência pode mudar, e é por isso que fazemos experiências em primeiro lugar. A proposta da dimensão escura, se apoiada pelos próximos testes, tem o potencial de nos aproximar da compreensão do que é a matéria escura, como está ligada à energia escura e à gravidade, e porque é que a gravidade parece fraca em comparação com outras forças conhecidas. “Os teóricos estão sempre tentando fazer essa 'ligação'. A dimensão sombria é uma das ideias mais promissoras que ouvi nesta direção”, disse Gopakumar.

Mas, numa reviravolta irónica, a única coisa que a hipótese da dimensão escura não consegue explicar é porque é que a constante cosmológica é tão surpreendentemente pequena – um facto intrigante que essencialmente deu início a toda esta linha de investigação. “É verdade que este programa não explica esse facto”, admitiu Vafa. “Mas o que podemos dizer, com base neste cenário, é que se lambda for pequeno – e você explica as consequências disso – todo um conjunto de coisas surpreendentes poderia acontecer.”