FísicaPor que astrônomos acreditam na matéria escura?

Michael J. I. Brown2 semanas atrásO universo é o lar de um número vertiginoso de estrelas e planetas. Mas o vasto volume do universo é pensado como sendo matéria escura invisível. Illustris Collaboration, CC BY-NC
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A matéria escura, pela sua própria natureza, é invisível. Não podemos observá-la com telescópios, nem os físicos de partículas tiveram sorte em detectá-la por meio de experimentos.

Então por que eu e milhares de meus colegas acreditamos que a maior parte da massa do universo é composta de matéria escura, ao invés da matéria convencional que compreende estrelas, planetas e todos os outros objetos visíveis em nossos céus?

Para responder a essa pergunta você precisa apreciar o que a matéria escura pode e não pode fazer, entender onde no universo ela se esconde, e perceber que “escuro” é apenas o começo do quebra-cabeça.

Influência invisível

A nossa história da matéria escura começa com velocidade e gravidade. Através do cosmos vemos objetos viajando em órbitas sob a influência da gravidade. Assim como a Terra orbita o Sol, o Sol orbita o centro da nossa galáxia.

A velocidade necessária para manter um corpo celeste em órbita é função da massa e da distância. Por exemplo, no nosso Sistema Solar, a Terra move-se a 30km por segundo, enquanto os planetas mais distantes se movimentam a vários quilômetros por segundo.

A nossa galáxia é incrivelmente maciça, por isso o Sol orbita a 230 km por segundo, apesar de estar a 26.700 anos-luz do centro da nossa galáxia. No entanto, à medida que nos afastamos do centro da galáxia, as velocidades orbitais das estrelas permanecem aproximadamente constantes. Por quê?

Ao contrário do nosso Sistema Solar, cuja massa é dominada pelo Sol, a massa na nossa galáxia está espalhada por milhares de anos-luz. À medida que nos deslocamos para distâncias maiores do centro galáctico, as estrelas e o gás dentro deste raio aumentam. Poderá esta massa adicional explicar as vastas velocidades das estrelas mais distantes da nossa galáxia? Não exatamente.

Na década de 1960, a astrônoma pioneira dos EUA, Vera Rubin, mediu as velocidades orbitais na galáxia Andrômeda (a galáxia próxima à Via Láctea) a distâncias de 70.000 anos-luz do núcleo dessa galáxia. Notavelmente, apesar dessa distância estar bem além do volume de estrelas e gás de Andrômeda, a velocidade orbital permaneceu próxima de 250km/s.

Esse fenômeno também não é exclusivo de galáxias individuais. Nos anos 1930, o astrônomo suíço-americano Fritz Zwicky descobriu que as galáxias em órbita dentro de aglomerados de galáxias estavam se movendo muito mais rápido do que o esperado.

O que está acontecendo? Uma possibilidade é que uma vasta quantidade de massa invisível se estenda além das estrelas e do gás. Isso é matéria escura.

De fato, o trabalho de Zwicky, Rubin e as gerações subsequentes de astrônomos indicam que há mais matéria escura no Universo do que matéria convencional. (Quanto à energia escura, essa é toda uma outra história.)

Notavelmente, nossa incapacidade de ver ou detectar matéria escura fornece pistas sobre como ela se comporta. Ela deve ter poucas interações consigo mesma e com a matéria convencional além da força da gravidade – caso contrário, nós a teríamos detectado emitindo luz e interagindo com outras partículas.

Como a matéria escura interage principalmente através da gravidade, ela tem algumas propriedades curiosas. Uma nuvem de gás quente no espaço pode perder energia ao emitir luz e, assim, arrefecer. Uma nuvem de gás suficientemente maciça e fria pode colapsar sob sua própria gravidade para formar estrelas.

Pelo contrário, a matéria escura não pode perder energia emitindo luz. Assim, enquanto a matéria convencional pode colapsar em objetos densos como estrelas e planetas, a matéria escura permanece mais difusa.

Isso explica uma aparente contradição. Embora a matéria escura possa dominar a massa do Universo, não pensamos que haja muito dela no nosso Sistema Solar.

Sucesso da simulação

Como o movimento da matéria escura é dominado apenas pela gravidade, também é relativamente fácil modelar analiticamente e em simulações.

Desde a década de 1970 temos tido fórmulas para o número de estruturas de matéria escura, que também acontecem para prever o número de galáxias maciças e aglomerados de galáxias. Além disso, simulações podem modelar o acúmulo de estruturas através da história do Universo. O paradigma da matéria escura não apenas encaixa nos dados, mas tem poder preditivo.

Existe uma alternativa para a matéria escura? Inferimos a sua presença usando a gravidade, mas e se a nossa compreensão da gravidade estiver errada? Talvez a gravidade seja mais forte a grandes distâncias do que pensamos.

Existem várias teorias alternativas da gravidade, sendo a Dinâmica Newtoniana Modificada (MoND), de Mordehai Milgrom, o exemplo mais conhecido.

Como distinguimos a matéria escura da gravidade modificada? Bem, na maioria das teorias a gravidade puxa para a massa. Assim, se não há matéria escura, a gravidade puxa para a matéria convencional, enquanto que se a matéria escura domina então a gravidade puxa predominantemente para a matéria escura.

Então deve ser fácil dizer qual é a teoria certa, certo? Não exatamente, pois a matéria escura e a matéria convencional se seguem aproximadamente uma à outra. Mas há algumas exceções úteis.

Esmaguem nuvens de gás e matéria escura juntas e algo maravilhoso acontece. O gás colide para formar uma única nuvem, enquanto as partículas de matéria escura apenas continuam se movendo sob a influência da gravidade. Isso acontece quando aglomerados de galáxias colidem uns com os outros em grandes velocidades.

Como medimos a força da gravidade em aglomerados de galáxias em colisão? Bem, a gravidade puxa não apenas a massa, mas também a luz, então imagens distorcidas de galáxias podem traçar a atração gravitacional. E em aglomerados de galáxias colidindo, a gravidade puxa para onde a matéria escura deveria estar, não para a matéria convencional.

Ondulações no tempo

Podemos ver a influência da matéria escura não apenas hoje, mas no passado distante, de volta ao Big Bang.

O Fundo Cósmico de Microondas, o resplendor do Big Bang, pode ser visto em todas as direções. E nesta bola de fogo podemos ver ondulações, o resultado de ondas sonoras viajando através do gás ionizado.

Essas ondas sonoras resultam da interação da gravidade, pressão e temperatura no Universo primitivo. A matéria escura contribui para a gravidade, mas não responde à temperatura e à pressão como a matéria convencional, por isso a intensidade das ondas sonoras depende da relação entre matéria convencional e matéria escura.

Como esperado, medições dessas ondulações feitas por satélites e observatórios terrestres revelam que há mais matéria escura do que matéria convencional em nosso universo.

Então, o caso está encerrado? A matéria escura é definitivamente a resposta? A maioria dos astrônomos diria que a matéria escura é a explicação mais simples e melhor para muitos dos fenômenos que vemos no Universo. Embora existam problemas potenciais para os modelos mais simples de matéria escura, como o número de pequenas galáxias satélites, eles são problemas interessantes ao invés de falhas convincentes.

Mas o fato é que ainda não detectamos a matéria escura diretamente. Isso não me incomoda particularmente, pois a física tem uma história de partículas que levaram décadas para serem detectadas diretamente. Se não o detectarmos daqui a 20 anos, posso estar preocupado, mas por enquanto estou apostando que a matéria escura é o verdadeiro negócio.

é professor de astronomia na Monash University.

Este artigo foi traduzido de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

MAIS SOBRE MATÉRIA ESCURA: Pesquisa indica que matéria escura veio a existir antes do Big Bang

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