Há muitos anos, astrônomos e físicos têm estado em conflito. A misteriosa matéria escura que observamos no fundo do Universo é real, ou o que vemos é o resultado de desvios sutis das leis da gravidade como as conhecemos? Em 2016, o físico holandês Erik Verlinde propôs uma teoria do segundo tipo: a gravidade emergente. Novas pesquisas, publicadas em Astronomia e Astrofísica esta semana, empurram os limites das observações de matéria escura para as regiões exteriores desconhecidas das galáxias, e ao fazê-lo reavalia vários modelos de matéria escura e teorias alternativas da gravidade. As medições da gravidade de 259.000 galáxias isoladas mostram uma relação muito próxima entre as contribuições da matéria escura e as da matéria comum, como previsto na teoria da gravidade emergente de Verlinde e um modelo alternativo chamado Modified Newtonian Dynamics. No entanto, os resultados também parecem concordar com uma simulação computadorizada do Universo que assume que a matéria escura é “coisa real”.
A nova pesquisa foi realizada por uma equipe internacional de astrônomos, liderada por Margot Brouwer (RUG e UvA). Outros papéis importantes foram desempenhados por Kyle Oman (RUG e Universidade de Durham) e Edwin Valentijn (RUG). Em 2016, Brouwer também realizou um primeiro teste das idéias da Verlinde; desta vez, o próprio Verlinde também se juntou à equipe de pesquisa.
Matéria ou gravidade?
Até agora, a matéria escura nunca foi observada diretamente – daí o nome. O que os astrônomos observam no céu noturno são as conseqüências da matéria que está potencialmente presente: dobra da luz das estrelas, estrelas que se movem mais rápido do que o esperado, e até mesmo efeitos sobre o movimento de galáxias inteiras. Sem dúvida todos estes efeitos são causados pela gravidade, mas a pergunta é: estamos realmente observando a gravidade adicional, causada pela matéria invisível, ou as próprias leis da gravidade são a coisa que ainda não entendemos completamente?
Para responder a esta pergunta, a nova pesquisa usa um método semelhante ao usado no teste original em 2016. Brouwer e seus colegas fazem uso de uma série contínua de medições fotográficas que começou há dez anos: o KiloDegree Survey (KiDS), realizado usando o Telescópio VLT Survey da ESO em Chili. Nestas observações, mede-se como a luz estelar de galáxias distantes é curvada pela gravidade em seu caminho até nossos telescópios. Enquanto em 2016 as medidas de tais “efeitos de lente” cobriam apenas uma área de cerca de 180 graus quadrados no céu noturno, nesse meio tempo isto foi estendido para cerca de 1000 graus quadrados – permitindo aos pesquisadores medir a distribuição da gravidade em cerca de um milhão de galáxias diferentes.
Testes comparativos
Brouwer e seus colegas selecionaram mais de 259.000 galáxias isoladas, para as quais puderam medir a chamada “Relação de Aceleração Radial” (RAR). Esta RAR compara a quantidade de gravidade esperada com base na matéria visível na galáxia, com a quantidade de gravidade que está realmente presente – em outras palavras: o resultado mostra quanta gravidade ‘extra’ existe, além da que é devida à matéria normal. Até agora, a quantidade de gravidade extra tinha sido determinada apenas nas regiões externas das galáxias observando os movimentos das estrelas, e em uma região cerca de cinco vezes maior, medindo a velocidade de rotação do gás frio. Usando os efeitos de lente da gravidade, os pesquisadores agora eram capazes de determinar o RAR em forças gravitacionais cem vezes menores, permitindo-lhes penetrar muito mais profundamente nas regiões muito distantes das galáxias individuais.
Isto tornou possível medir a gravidade extra com extrema precisão – mas esta gravidade é o resultado da matéria escura invisível, ou precisamos melhorar nossa compreensão da própria gravidade? O autor Kyle Oman indica que a suposição de “coisas reais” parece funcionar, pelo menos parcialmente: “Em nossa pesquisa, comparamos as medidas com quatro modelos teóricos diferentes: dois que assumem a existência da matéria escura e formam a base das simulações computadorizadas de nosso universo, e dois que modificam as leis da gravidade – o modelo de gravidade emergente de Erik Verlinde e o chamado ‘Modified Newtonian Dynamics’ ou MOND. Uma das duas simulações de matéria escura, MICE, faz previsões que combinam muito bem com nossas medidas. Foi uma surpresa para nós que a outra simulação, BAHAMAS, levou a previsões muito diferentes. O fato de as previsões dos dois modelos serem diferentes já foi surpreendente, já que os modelos são muito parecidos. Mas, além disso, teríamos esperado que, se uma diferença aparecesse, a BAHAMAS teria um desempenho melhor. BAHAMAS é um modelo muito mais detalhado do que MICE, aproximando-se de nosso entendimento atual de como as galáxias se formam em um universo com matéria escura muito mais próxima. Ainda assim, MICE tem melhor desempenho se compararmos suas previsões com nossas medidas. No futuro, com base em nossas descobertas, queremos investigar melhor o que causa as diferenças entre as simulações”.
Galáxias jovens e velhas
Assim, parece que pelo menos um modelo de matéria escura parece funcionar. Entretanto, os modelos alternativos de gravidade também predizem o RAR medido. Um impasse, ao que parece, então como descobrimos qual modelo é correto? Margot Brouwer, que liderou a equipe de pesquisa, continua: “Com base em nossos testes, nossa conclusão original foi que os dois modelos alternativos de gravidade e o MICE correspondiam razoavelmente bem às observações. No entanto, a parte mais excitante ainda estava por vir: como tivemos acesso a mais de 259.000 galáxias, podíamos dividi-las em vários tipos – galáxias espiraladas azuis, relativamente jovens, versus galáxias elípticas vermelhas, relativamente velhas”. Esses dois tipos de galáxias surgem de maneiras muito diferentes: galáxias elípticas vermelhas se formam quando galáxias diferentes interagem, por exemplo, quando duas galáxias espirais azuis passam uma pela outra de perto, ou até mesmo colidem. Como resultado, a expectativa dentro da teoria das partículas de matéria escura é que a proporção entre matéria normal e matéria escura nos diferentes tipos de galáxias pode variar. Modelos como a teoria de Verlinde e MOND, por outro lado, não fazem uso de partículas de matéria escura e, portanto, prevêem uma relação fixa entre a gravidade esperada e medida nos dois tipos de galáxias – isto é, independente de seu tipo. Brouwer: “Descobrimos que os RARs para os dois tipos de galáxias diferem significativamente. Isso seria uma forte indicação para a existência de matéria escura como partícula”.
Entretanto, há uma ressalva: o gás. Muitas galáxias estão provavelmente cercadas por uma nuvem difusa de gás quente, o que é muito difícil de observar. Se fosse o caso de quase não haver gás em torno de galáxias espirais azuis jovens, mas que as velhas galáxias elípticas vermelhas vivem em uma grande nuvem de gás – aproximadamente a mesma massa que as próprias estrelas – isso poderia explicar a diferença no RAR entre os dois tipos. Para chegar a um julgamento final sobre a diferença medida, seria necessário, portanto, medir também as quantidades de gás difuso – e isto é exatamente o que não é possível utilizando os telescópios KiDS. Outras medições foram feitas para um pequeno grupo de cerca de cem galáxias, e essas medições realmente encontraram mais gás em torno de galáxias elípticas, mas ainda não está claro quão representativas essas medições são para as 259.000 galáxias que foram estudadas na pesquisa atual.
Matéria escura
Se se verificar que o gás extra não pode explicar a diferença entre os dois tipos de galáxias, então os resultados das medições são mais fáceis de entender em termos de partículas de matéria escura do que em termos de modelos alternativos de gravidade. Mas mesmo assim, a questão ainda não está resolvida. Enquanto as diferenças medidas são difíceis de explicar usando MOND, Erik Verlinde ainda vê uma saída para seu próprio modelo. Verlinde: “Meu modelo atual só se aplica a galáxias estáticas, isoladas, esféricas, de modo que não se pode esperar que ele distinga os diferentes tipos de galáxias. Eu vejo estes resultados como um desafio e inspiração para desenvolver uma versão assimétrica e dinâmica de minha teoria, na qual galáxias com uma forma e história diferentes podem ter uma quantidade diferente de ‘matéria escura aparente'”.
Portanto, mesmo após as novas medidas, a disputa entre a matéria escura e as teorias alternativas de gravidade ainda não está resolvida. Ainda assim, os novos resultados são um grande avanço: se a diferença medida na gravidade entre os dois tipos de galáxias estiver correta, então o modelo final, qualquer que seja, terá que ser suficientemente preciso para explicar esta diferença. Isto significa, em particular, que muitos modelos existentes podem ser descartados, o que afasta consideravelmente a paisagem de possíveis explicações. Além disso, a nova pesquisa mostra que são necessárias medições sistemáticas do gás quente ao redor das galáxias. A formulação de Edwin Valentijn é a seguinte: “Como astrônomos observacionais, chegamos ao ponto em que somos capazes de medir a gravidade extra ao redor das galáxias com mais precisão do que podemos medir a quantidade de matéria visível. A conclusão contraintuitiva é que devemos primeiro medir a presença de matéria comum na forma de gás quente ao redor das galáxias, antes que futuros telescópios como Euclides possam finalmente resolver o mistério da matéria escura”.
