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Matéria Escura, Energia Escura e a Massa Negativa


- Artigo atualizado no dia 11 de junho de 2019 -

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         O Universo, sem dúvidas, transborda de mistérios, mas alguns dos mais estranhos deles estão relacionados com a existência de duas entidades que recebem o nome de Matéria Escura e de Energia escura. Mas o que seriam essas "entidades" e como inferimos a existência delas?

        Já de início é importante dizer que, apesar de ser praticamente um consenso hoje na comunidade científica de que essas entidades existem, alguns cientistas ainda acham que modificações especiais nas leis que governam a física podem explicar certas anomalias no Cosmo atribuídas a elas, especialmente em relação à Matéria Escura (!). Porém, o suporte científico para essas alegações é geralmente muito limitado e inconsistente. Mas isso não quer dizer que a não existência da Matéria Escura ou da Energia Escura seja algo improvável. Observações recentes de ondas gravitacionais pelo LIGO (1), por exemplo, colocaram em dúvida alguns modelos de Energia Escura (Ref.18).

A Via Láctea, e a nossa localização dentro dela (seta indicativa); grande parte da massa da nossa galáxia parece ser composta de matéria escura
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(!) ATUALIZAÇÃO (29/03/18): Astrônomos descobriram uma misteriosa galáxia que não possui a presença de matéria escura, algo que curiosamente derruba as semi-teorias que tentam explicar o Universo sem a necessidade dessa matéria. Essa pode ser a primeira 'galáxia bariônica' já descoberta. Para saber mais, acesse: Astrônomos encontram uma misteriosa galáxia fantasma!
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(1) Leitura recomendada: O que são as ondas gravitacionais?


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   MATÉRIA ESCURA

         O Universo é composto por inúmeras galáxias (1), as quais abrigam diversos sistemas de estrelas, planetas e diversos outras formações espaciais. Essas galáxias possuem movimento de rotação e de translação, podendo estar bem isoladas uma das outras ou em grupos relativamente próximos. Quando isoladas, a rotação observada é relativa à distribuição da sua massa pelo seu raio. Se fôssemos considerar a massa observável nessas galáxias, ou seja, a massa normal que conhecemos e que emite radiação eletromagnética (ou interage com esta), veríamos sua velocidade diminuindo à medida que seu raio aumentasse, já que a massa visível (e supostamente a única lá) está também diminuindo. Só que, surpreendentemente, à medida que o raio aumenta, a velocidade aumenta, indicando que existe uma gigantesca quantidade de massa aumentando ao longo do raio da galáxia!

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(2) O valor mais recente aceito fica em torno de 2 trilhões de galáxias. Para saber mais, acesse: Nosso Universo possui  cerca de 10 vezes mais galáxias do que antes previsto!
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          Nossa galáxia, a Via Láctea, é um exemplo claro disso. Quando vamos nos afastando do seu centro, a matéria visível diminui drasticamente. Além da órbita do nosso Sol, existe muito pouca massa observável. Porém, ela segue o mesmo padrão de aumento de velocidade com o raio, indicando que algo muito grande produzindo efeitos gravitacionais está presente ali. Esse 'algo' seria a famosa Matéria Escura. Aliás, através de dados obtidos pela Telescópio Espacial Hubble e do satélite Gaia da Agência Espacial Europeia, pesquisadores recentemente estimaram a massa total da Via Láctea em 1,5 trilhão de massas solares (1 massa solar = massa do Sol) (Ref.14). E apenas uma pequena porcentagem dessa massa é devido às aproximadamente 200 bilhões de estrelas na nossa galáxia - incluindo o supermassivo buraco-negro em seu centro de 4 milhões de massas solares -, com o resto todo correspondendo à misteriosa matéria escura.


 
        Os primeiros trabalhos que abriram o campo de estudo sobre a matéria escura emergiram na década de 1930, especialmente com o astrônomo Suíço-Americano Fritz Zwicky. O nome 'Matéria Escura' refere-se ao fato de que, apesar dela apresentar efeitos gravitacionais, ela não interage ou emite radiação eletromagnética (luz visível, infravermelho, raios X, etc.). Assim, é muito difícil detectarmos ela, e só podemos inferir sua presença através dessas observações anômalas no comportamento das galáxias. Estudando as galáxias no contexto do paradigma da matéria escura fria, os cientistas já mostraram que a massa do halo de matéria escura e a massa estelar total estão ligadas através de uma função que varia diretamente com a massa. A razão média Mhalo/Mestrelas possui um mínimo em torno de 30 para galáxias com massas estelares próximas daquela da Via Láctea (1-2 x 1012 massas estelares) e aumenta tanto em direção a massas menores quanto em direção a massas maiores. A dispersão nessa relação não é bem conhecida, mas é geralmente aceito ser menor do que um fator de dois para para galáxias massivas e muito maior para galáxias-anãs (!).

        Além da presença dessa matéria especial na estrutura individual das galáxias, temos outro comportamento muito estranho quando observamos grupos de galáxias (´galaxy clusters´ e ´galaxy groups´), as quais são galáxias que permanecem relativamente próximas devido ao efeito gravitacional de atração entre elas. Na verdade, a maioria das galáxias no Universo são deste tipo, com grupos formados por dezenas, centenas ou milhares delas. Porém, a velocidade com a qual as galáxias estão dentro desses grupos (entre 800 e 1000 km/s) em relação umas às outras é alta demais para mantê-las unidas (Obs.: a velocidade aqui é devido aos efeitos gravitacionais delas umas em relação às outras, não uma velocidade "intrínseca" delas). Novamente, 'algo' precisa estar ali no meio delas para mantê-las juntas, ou seja, a matéria escura. O efeito gravitacional faltante para manter estável esses grupos de galáxia é tão alto que algo entre 85 e 95% da massa desses sistemas precisa vir de matéria escura!

       Agora, fica a pergunta: o que seria a matéria escura? Bem, achar a resposta para essa pergunta é um dos grandes desafios da astronomia moderna. Será, por exemplo, que essa matéria é apenas uma matéria normal - também conhecida como bariônica (2) -, mas 'fria'? Se esse for o caso, existem quatro suposições principais, mas todas com grandes limitações:

1. Estrelas de Nêutrons: esses corpos são formados quando estrelas bem grandes (com massa de 10 a 29 Sóis) colapsam, dando origem a Supernovas quando as camadas exteriores são expulsas. Depois desse processo, sobra um núcleo composto só de nêutrons (aquelas partículas sem carga elétrica presente no núcleo de átomos). São um dos corpos mais densos do Universo, podendo possuir a massa de dois do nosso Sol presa em um raio de apenas 11 km. Se pudéssemos encher uma colher de chá ( cerca de 5 ml) com o material dessa estrela, teríamos uma colher que poderia estar carregando mais de 5,5 bilhões de toneladas de peso! Essas estrelas são quase impossíveis de serem detectadas, por não emitirem mais radiação eletromagnética mensurável por nossa atual tecnologia, exceto quando elas estão em um sistema binária ou outras situações especiais. Bem, se tivéssemos muitas dessas estrelas espalhadas pelo Universo, elas seriam boas candidatas para serem a misteriosa matéria escura. Só que o Universo é muito jovem para ter muitas delas (formação de uma leva bastante tempo). Aqui na Via Láctea, por exemplo, é estimado que "apenas" 100 milhões delas existem, algo ínfimo para sequer arranhar na quantidade de matéria escura prevista aqui. Para saber mais sobre esses corpos, acesse: O que são as Estrelas de Nêutrons?

2. Anãs Negras: se a massa de uma estrela não é grande o suficiente para se transformar em uma estrela de nêutrons quando ela colapsar após seu combustível primário de fusão nuclear acabar (hidrogênio), ela pode ser tornar uma Anã Branca. Estas são luminosas, mas não por causa de fusão nuclear, mas sim por causa da imensa quantidade de calor acumulado no núcleo pelas partículas elementares dos átomos ali presentes (elétrons, nêutrons e prótons), as quais estão todas soltas, criando um meio condutor de calor quase perfeito. Esse calor começa então a ser irradiado na forma de radiação eletromagnética e, à medida que a energia vai diminuindo e a Anã Branca vai esfriando, os comprimentos de onda vão ficando cada vez maiores (menor frequência, menor energia), até que radiação alguma seja emitida, originando as Anãs Negras. Essas últimas, assim como a matéria escura, só conseguiriam ser observadas por nós através da sua interação gravitacional. Só que o problema é que o tempo para as Anãs Brancas se resfriarem até atingir esse estágio é milhares de vezes maior do que a idade do Universo, ou seja, provavelmente ainda não existem Anãs Negras no cosmo, apenas em termos de previsão teórica.

3. Buracos Negros: se a massa da estrela colapsada é muito grande, então ao invés de termos uma Estrela de Nêutrons, teremos a formação do corpo mais denso do Universo, o qual possui uma força gravitacional tão absurda em sua superfície que nem ao menos a luz consegue escapar. Ou seja, assim como a matéria escura, eles não emitem radiação por conta própria e, no geral, só podem ser vistos de maneira indireta pelos seus efeitos gravitacionais (apesar de alguns terem disco de acreção de matéria muito luminosos que emitem raios X). De qualquer forma, mesmo os buracos negros que não podem ser detectados por observação direta, também caem no mesmo problema das Estrelas de Nêutron: são eventos muito raros no Universo. Para explicar toda a matéria escura, precisaríamos que mais de 90% das estrelas se transformassem em buracos negros, algo totalmente fora da realidade. Por outro lado, existe uma janela para que buracos negros primordiais (BNPs) - corpos hipotéticos formados não pelo colapso gravitacional de uma estrela, mas pela extrema densidade da matéria presente durante a expansão inicial do Universo - sejam os constituintes da matéria escura se a massa dos buracos negros em geral caírem em uma faixa entre 20 e 100 milhões de massas solares.

Nesse caso, BNPs com massas maiores do que 1015 g - os quais não teriam evaporado completamente via radiação de Hawking - seriam os candidatos, já que, como foram formados no Universo na era dominada por radiação, tais corpos não seriam sujeitos às limitações da Nucleossíntese do Big Bang (BBNS, na sigla em inglês) que os bárions podem ter a 5% da massa crítica. Os PBHs seriam, portanto, classificados como não-bariônicos e se comportariam como qualquer outra forma de matéria escura fria (3). Vários estudos mais recentes, de fato, trabalham com essa possibilidade (Ref.15-16). No entanto, ainda não existem sólidas evidências que confirmem a existência dos PBHs, apesar deles fazerem sentido em vários modelos matemáticos da cosmologia moderna.

4. Anãs Marrons: Essas estrelas possuem massas muito diminutas e, portanto, são incapazes de fundir hidrogênio para forma hélio (e, consequentemente, energia), no máximo o isótopo 7 do lítio e o isótopo deutério do hidrogênio, presentes em ínfima quantidade dentro delas, caso sejam massivas acima da média. Por isso, a maior parte delas não conseguem emitir significativas quantidades de radiação eletromagnética para serem detectadas. Porém, para contarem como matéria escura, deveriam estar em grande abundância por todos os lados, mas não vemos nada próximo disso.

5. Planetas e rochas: Ora, planetas e rochas (meteoroides, asteroides, etc.) não emitem radiação por conta própria e caso quantidades imensas desses corpos estivessem vagando pelo Universo, longe da iluminação de estrelas, seria difícil detectarmos os mesmos, já que é complicado vermos até planetas circundando estrelas muito longe do nosso Sistema Solar. Porém, assim como as Anãs Marrons, não conseguimos detectar essa imensa quantidade de planetas e rochas ao nosso redor, algo que deveria se muito fácil de se observar quando consideramos a quantidade de corpos desse tipo necessária para fazer o papel da matéria escura. 

6. Monopolos Magnéticos Escuros: Recentemente, Físicos da Universidade da Califórnia, Davis, propuseram que monopolos acoplados com fótons escuros massivos podem compor a matéria escura cosmológica (Ref.21). Magnetos tradicionalmente sempre possuem dois polos, norte e sul. Um monopolo é uma partícula que age como apenas um dos polos de um magneto, mas que, apesar de serem previstos pela teoria quântica, nunca foram observados naturalmente ou experimentalmente. Nesse sentido, os monopolos escuros se comportariam como os normais, porém só interagindo eletromagneticamente com partículas-ondas escuras, e interagindo entre si através de fluxo magnético escuro.

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           Bem, analisando as opções acima, é muito pouco provável que a matéria escura seja formada por matéria normal. Assim, é bem mais plausível considerar que esse tipo de matéria é formada por partículas ou entidades físicas totalmente novas ou especiais, e talvez por BNPs. Neutrinos são os únicos já observados na prática que podem ser candidatos na constituição da matéria escura, especialmente da Matéria Escura Quente (3). Os neutrinos possuem muito pouca massa (quase considerada como zero) e interagem apenas por forças Fraca (4) e gravitacional. Mas como possuem massa ridícula e não parecem estar em quantidade suficiente para preencher o papel de Matéria Escura, é possível que neutrinos mais massivos (já detectados também) cumpram esse papel. Só que a massa individual continuaria pequena e a quantidade requerida deles durante o Big Bang não são possíveis de serem obtidas sem "comprometer" a estrutura do atual Universo.

           Pode ser também que parte da Matéria Escura seja formada por partículas exóticas e uma parte menor seja formada por matéria normal (buracos negros, estrelas de nêutrons, etc.). Nesse mar de suposições, é válido também dizer que a minoria dos teóricos que não acreditam na existência de matéria escura dizem que estas seriam apenas uma ilusão criada pelo comportamento diferenciado da gravidade em sistemas de massas muito grandes, como as galáxias. Ou seja, em menor escala, como o nosso Sistema Solar, as leis da gravitação funcionam como na teoria. Só que em monstros massivos, como as galáxias, haveria uma modificação radical nos efeitos gravitacionais esperados. É algo plausível, mas não existe evidência alguma que esse tipo de transformação gravitacional exista (!).

Grupo de galáxias (´cluster´) IDCS 1426, uma dos maiores já observados e distantes de nós 10 bilhões de anos-luz; sua massa total é algo em torno de 500 trilhões de Sóis e cálculos indicam que 90% da sua massa é composta de Matéria Escura

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   ENERGIA ESCURA

          Mas independentemente do que é feito a Matéria Escura, temos um grande problema nas nossas mãos agora: a expansão do Universo. À primeira vista, essa expansão deveria estar desacelerando desde a explosão inicial do Big Bang, só que, pelo contrário, o Universo parece estar se expandindo em ritmo acelerado. Para explicar essa aceleração, a matéria normal e a matéria escura, combinadas, apenas cobririam cerca de 28,6% desse processo. Portanto, 71,4% das forças impulsionando o Universo são compostas por outra entidade, a qual recebeu o nome de Energia Escura.

          A natureza dessa energia é totalmente desconhecida, mas provavelmente compõe a maior parte do Cosmo. Sua distribuição seria homogênea, e permearia tudo, estando relacionada intimamente com o conteúdo do vácuo espacial (5). A energia escura não teria efeitos gravitacionais e afetaria as forças do Universo como um todo, por mecanismos ainda incompreensíveis. Diferente da matéria escura, é difícil tentar ignorar a presença dessa energia, mesmo entre os teóricos mais ´do contra´. Além da aceleração, essa energia escura poderia também explicar vários outros processos que ocorrem ao nosso redor, como as transmissões de força gravitacional e elétrica (atrativas), algo ainda pouco compreendido.

          Trabalhos recentes sugerem que a  Energia Escura pode emergir da interação entre o bóson de Higgs - partícula subatômica teoricamente prevista de ter emergido logo após o Big Bang - e a inflação do Universo (Ref.19).

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   MASSA NEGATIVA

          Recentemente, em um estudo publicado no periódico Astronomy and Astrophysics (Ref.20), o Físico Jamie S. Farnes da Universidade de Oxford, Reino Unido, propôs um modelo matemático que une matéria escura e energia escura em um único fenômeno: um fluído que possui 'massa negativa'. Essa nova hipótese sugere que o nosso Universo parece ser sempre simétrico em ambas qualidades positiva e negativa, como ocorre com as cargas elétricas (+ e -) e cargas magnéticas (N e S).

          Enquanto que uma massa positiva atrai todas as massas ao redor, uma massa negativa irá repelir gravitavelmente todas as massas ao redor. Se uma força é exercida sobre uma massa positiva, a massa irá se mover no sentido da força aplicada. No entanto, se uma força é exercida em uma massa negativa, a massa irá se mover no sentido contrário e de encontro à força aplicada. De qualquer forma, uma massa negativa na superfície da Terra cairia em sua direção como uma massa positiva.



          Uma das mais notáveis propriedades da massa negativa é que, quando perto de massa positiva com mesma magnitude, é iniciado um processo de runaway motion. A massa positiva é acelerada no mesmo sentido da massa negativa, com esta última sendo atraída pela primeira e esta, por sua vez, sendo repelida. A massa total resultante do par se torna zero, permitindo que o sistema seja acelerado à velocidade da luz. Como a massa negativa é atraída no sentido da massa positiva, ela é capaz de aplicar pressão nessa última, algo que pode possivelmente modificar a curva de rotação de uma galáxia (explicando a ação da matéria escura). E massas negativas - repulsivas entre si - se comportariam como fluídos escuros, obedecendo à equação de estado de um fluído perfeito (p = wpc2). A repulsão entre massas negativas pode explicar a energia escura e a ação desta na expansão do Universo.

          Para permitir a existência de massa negativa, e de forma que ela entre em concordância com as leis da Física e a Relatividade Geral (6),  Farnes aplicou um 'tensor de criação', o qual possibilita que massas negativas sejam continuamente criadas, impedindo que o fluído tenha sua densidade diluída durante a expansão do Universo (7) - algo antes previsto como uma impossibilidade para a existência de massa negativa como candidata a energia escura, esta a qual retém densidade constante mesmo sob expansão (w = -1). Isso faz com que o fluído se comporte exatamente como a energia escura. Aliás, quando usando simulações computacionais, o fluído de massa negativa acoplado com o tensor de criação também mostra se comportar como os halos de matéria escura que mantêm as galáxias em rápida rotação presas umas às outras, como inferido por observações usando telescópios modernos de rádio.


          Nesse sentido, teríamos as matéria e energia escuras unificadas em uma única substância, com ambos os efeitos sendo simplesmente explicáveis como massas positivas surfando sobre um mar de massas negativas. Einstein, em 1918, procurando uma solução para a constante cosmológica, chegou a propor que o "espaço vazio" estaria fazendo o papel gravitacional de massas negativas, as quais estariam distribuídas por todo o espaço interestelar. No entanto, em 1919, ele descartou essa possibilidade.

          Mais observações astronômicas e trabalhos teóricos serão necessários para corroborar ou derrubar a hipótese.

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   CONCLUSÃO

           No final, então, temos que próximo de 71,4% do nosso Universo é composto de Energia Escura, 24% de Matéria Escura e apenas 4,6% é Matéria Normal/Bariônica. E caso a hipótese da massa negativa estiver certa, a resolução do problema sobre o que são exatamente a matéria e a energia escuras passa a ser apenas uma simples troca de sinal.

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(2) Matéria Normal, ou Bariônica: Por definição, matéria bariônica deveria incluir apenas a matéria composta por bárions, ou seja, deveria incluir prótons, nêutrons e todos os objetos compostos por essas subpartículas atômicas (por exemplo, o núcleo atômico), mas excluir entidades como os elétrons e os neutrinos, os quais são, na verdade, léptons.

Porém, na Astronomia, o termo 'matéria bariônica' é usado mais livremente, considerando as escalas astronômicas. Como prótons e nêutrons estão sempre acompanhados dos elétrons - alcançando uma rede neutra de cargas -, os astrônomos acabam usando o termo para se referir a todos os objetos feitos da matéria atômica normal, incluindo os elétrons, os quais representam apenas cerca de 0,0005% da massa total. Por outro lado, os neutrinos são tirados dessa generalização, e acabam sendo considerados não-bariônicos pelos astrônomos.

Bem, e apesar dos Buracos Negros não-primordiais serem também englobados como matéria bariônica, eles possuem propriedades muitas vezes consideradas distintas da bariônica e da não-bariônica. Assim, a matéria bariônica, na astronomia, reúne:

- Nuvens de gás frio;
- Planetas;
- Cometas e asteroides;
- Estrelas
- Estrelas de Nêutrons
- Buracos Negros

(3)  A Matéria Escura é formada, segundo o atual modelo cosmológico, pela Matéria Escura Quente e  pela Matéria Escura Fria. A primeira possui partículas trafegando a velocidades muito próximas da luz e conta por algo em torno de 30% da Matéria Escura total. A segunda representaria o resto, e seria composta por partículas pesadas e mais lentas.

(4) Existem quatro forças fundamentais no Universo: a Força Fraca, a Força Forte, a Gravitacional e a Eletromagnética. As duas últimas todos devem conhecer. A Força Fraca é a responsável pelo decaimento radioativo alfa e beta - artigo relacionado abaixo. A Força Forte é a responsável por manter, por exemplo, o núcleo atômico coeso, sem a qual os prótons não conseguiriam ficar presos no núcleo, mesmo com a presença dos nêutrons. Outros sistemas de partículas são mantidas unidas pela força forte, como os quarks que formam os nêutrons e prótons. Essa força é aproximadamente 137 mais intensa do que o electromagnetismo, 1 milhão de vezes mais intensa do que a força fraca e 1038 vezes mais intensa do que a gravitacional.

(5) Quando retiramos o ar de um espaço vazio, temos um vácuo formado. Só que, ao contrário do que a maioria pensa, esse vácuo não é composto apenas por "nada". Dentro dele podemos ter partículas e antipartículas virtuais, como já foi demonstrado em aceleradores de partículas, e ainda podemos ter energia escura também preenchendo esse espaço.


Artigo relacionados:
  1. Por que olhar para as estrelas é vislumbrar o passado?
  2. O que são os Buracos Negros?
  3. Como são formados os elementos químicos?


REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. https://home.cern/about/physics/dark-matter
  2. http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/GR/dark_matter.html
  3. http://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy/
  4. http://abyss.uoregon.edu/~js/cosmo/lectures/lec17.html
  5. http://www.nasa.gov/mission_pages/sunearth/news/gallery/galaxy-location.html
  6. http://www.spacetelescope.org/news/heic1201/
  7. http://imagine.gsfc.nasa.gov/ask_astro/index.html
  8. http://w.astro.berkeley.edu/~gmarcy/astro160/papers/brown_dwarfs_failed_stars.pdf
  9. http://www.astronomy.ohio-state.edu/~jaj/Ast162/lectures/notesWL22.html
  10. http://pdg.lbl.gov/2014/reviews/rpp2014-rev-sum-neutrino-masses.pdf 
  11. http://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/images/galaxy-cluster-idcs-1426.html
  12. http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/B/Baryonic+Matter
  13. https://map.gsfc.nasa.gov/universe/uni_matter.html
  14. https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/what-does-the-milky-way-weigh-hubble-and-gaia-investigate
  15. https://sci-hub.tw/https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.201301
  16. https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.94.083504
  17. https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.90.045002
  18. https://www.nature.com/articles/s41567-018-0398-z
  19. https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2FJHEP01%282019%29029.pdf
  20. https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2018/12/aa32898-18/aa32898-18.html
  21. https://arxiv.org/pdf/1906.00014.pdf