Fótons escuros não conseguiram aquecer o Universo como esperado, sugere estudo

A reionização do Universo foi a transição em que o hidrogênio neutro do meio intergaláctico voltou a ser ionizado. Entender quais fontes produziram a radiação para essa transformação é importante para reconstruir a evolução do Universo e a formação das primeiras estruturas.

Uma hipótese alternativa considera os fótons escuros, partículas hipotéticas associadas a um setor escuro e que podem se converter em fótons comuns. Essa conversão poderia transferir parte da energia da matéria escura para o plasma, aquecendo o meio intergaláctico.

Simulações de dinâmica de plasma indicam que esse aquecimento pode ter sido muito menos eficiente do que modelos anteriores sugeriam. A conversão dos fótons escuros pode fazer com que a energia cresça e efeitos não lineares gerem irregularidades limitando a quantidade de energia depositada.

Fótons escuros

Os fótons escuros são partículas hipotéticas propostas como mediadoras de uma possível interação dentro do chamado setor escuro. Diferentemente do fóton comum, eles não precisariam interagir diretamente com a matéria visível, mas poderiam apresentar uma pequena mistura com o campo eletromagnético.

Na física de partículas, o fóton escuro pode ser associado a uma extensão do Modelo Padrão. Dependendo de sua massa e da intensidade, ele poderia influenciar a evolução do plasma primordial ou participar da dinâmica da matéria escura.

Como esses fótons aqueceram o Universo?

A hipótese dos fótons escuros considera que essas partículas poderiam se converter em fótons normais no plasma ionizado do Universo primordial. Essa conversão transferiria energia para o plasma, aumentando sua temperatura e, em princípio, deixando assinaturas observáveis na evolução cósmica.

Novas simulações de plasma, porém, indicam que a conversão pode ser limitada antes que ocorra transferência de energia. O próprio processo gera perturbações no plasma que interrompem a conversão eficiente dos fótons escuros, impedindo o aquecimento previsto pelos modelos mais simples.

Descobrindo energia

A nova descoberta mostra que o modelo de conversão linear entre fótons escuros e fótons comuns não descreve completamente a dinâmica do plasma. As simulações indicam que o sistema entra rapidamente em um regime fortemente não linear.

Com essa dinâmica incluída, uma restrição cosmológica passa a ser aplicada em uma faixa de energia. Essa região corresponde aproximadamente a frequências de rádio entre quilohertz e gigahertz, tornando-a acessível a diferentes estratégias experimentais.

Não linearidade

Efeitos não lineares já são fundamentais para descrever diversos sistemas astrofísicos, especialmente aqueles dominados por plasmas. Em muitos modelos, aproximações lineares são utilizadas porque simplificam os cálculos, mas elas podem deixar de representar corretamente a dinâmica.

O caso dos fótons escuros mostra que processos não lineares podem alterar previsões consideradas estabelecidas. A mesma abordagem pode precisar ser aplicada a outras partículas e ambientes astrofísicos, especialmente quando plasma e física de partículas estão fortemente acoplados.