Pergunte ao Jyotiraditya: Dark Energy, Dark Matter

Jyotiraditya Blocked Unblock Seguir Seguindo 8 de janeiro

No início dos anos 90, uma coisa era certa sobre a expansão do universo. Pode ter densidade de energia suficiente para interromper sua expansão e recolocar-se, pode ter uma densidade de energia tão pequena que nunca pararia de se expandir, mas a gravidade certamente retardaria a expansão com o passar do tempo. Concedido, a desaceleração não foi observada, mas, teoricamente, o universo teve que desacelerar. O universo está cheio de matéria e a força atrativa da gravidade une toda a matéria. Então vieram 1998 e as observações do Hubble Space Telescope (HST) de supernovas muito distantes que mostraram que, há muito tempo atrás, o universo estava realmente se expandindo mais lentamente do que é hoje. Assim, a expansão do universo não tem diminuído devido à gravidade, como todos pensavam, foi acelerando. Ninguém esperava isso, ninguém sabia como explicar isso. Mas algo estava causando isso.

Por fim, os teóricos apresentaram três tipos de explicações. Talvez tenha sido o resultado de uma versão há muito descartada da teoria da gravidade de Einstein, que continha o que era chamado de "constante cosmológica". Talvez houvesse algum tipo estranho de fluido energético que preenchia o espaço. Talvez haja algo errado com a teoria da gravidade de Einstein e uma nova teoria poderia incluir algum tipo de campo que cria essa aceleração cósmica. Os teóricos ainda não sabem qual é a explicação correta, mas deram um nome à solução. Isso é chamado de energia escura.

O que é energia escura?

Mais é desconhecido do que é conhecido. Nós sabemos quanta energia escura existe porque sabemos como isso afeta a expansão do universo. Fora isso, é um completo mistério. Mas é um mistério importante. Acontece que cerca de 68% do universo é energia escura. A matéria escura representa cerca de 27%. O resto – tudo na Terra, tudo já observado com todos os nossos instrumentos, tudo normal – soma menos de 5% do universo. Pensando nisso, talvez não devesse ser chamado de matéria “normal”, já que é uma fração tão pequena do universo.

Este diagrama revela mudanças na taxa de expansão desde o nascimento do universo há 15 bilhões de anos. Quanto mais rasa a curva, mais rápida será a taxa de expansão. A curva muda visivelmente cerca de 7,5 bilhões de anos atrás, quando os objetos no universo começaram a se afastar como um ritmo mais rápido. Os astrônomos teorizam que a taxa de expansão mais rápida se deve a uma força misteriosa e escura que está separando as galáxias.

Uma explicação para a energia escura é que ela é uma propriedade do espaço. Albert Einstein foi a primeira pessoa a perceber que o espaço vazio não é nada. O espaço tem propriedades incríveis, muitas das quais estão apenas começando a ser entendidas. A primeira propriedade que Einstein descobriu é que é possível que mais espaço venha a existir. Então, uma versão da teoria da gravidade de Einstein, a versão que contém uma constante cosmológica , faz uma segunda previsão: “o espaço vazio” pode possuir sua própria energia. Porque esta energia é uma propriedade do próprio espaço, não seria diluída à medida que o espaço se expandisse. À medida que mais espaço vier a existir, mais dessa energia do espaço apareceria. Como resultado, essa forma de energia faria com que o universo se expandisse cada vez mais rápido. Infelizmente, ninguém entende por que a constante cosmológica deveria estar lá, muito menos porque teria exatamente o valor correto para causar a aceleração observada do universo.

Esta imagem mostra a distribuição de matéria escura, galáxias e gás quente no núcleo do aglomerado de galáxias em fusão Abell 520. O resultado poderia representar um desafio às teorias básicas da matéria escura.

Outra explicação para como o espaço adquire energia vem da teoria quântica da matéria. Nesta teoria, o “espaço vazio” é na verdade cheio de partículas temporárias (“virtuais”) que continuamente se formam e depois desaparecem. Mas quando os físicos tentaram calcular quanta energia isso daria espaço vazio, a resposta saiu errada – muito errado. O número saiu 10120 vezes muito grande. Isso é um 1 com 120 zeros depois. É difícil obter uma resposta tão ruim assim. Então o mistério continua.

Outra explicação para a energia escura é que ela é um novo tipo de fluido ou campo de energia dinâmica, algo que preenche todo o espaço, mas algo cujo efeito sobre a expansão do universo é o oposto do da matéria e da energia normal. Alguns teóricos nomearam essa "quintessência", depois do quinto elemento dos filósofos gregos. Mas, se a quintessência é a resposta, ainda não sabemos como é, com o que interage ou por que existe. Então o mistério continua.

Uma última possibilidade é que a teoria da gravidade de Einstein não esteja correta. Isso não só afetaria a expansão do universo, mas também afetaria o modo como a matéria normal em galáxias e aglomerados de galáxias se comportava. Esse fato forneceria uma maneira de decidir se a solução para o problema da energia escura é ou não uma nova teoria da gravidade: poderíamos observar como as galáxias se juntam em aglomerados. Mas se acontecer de uma nova teoria da gravidade ser necessária, que tipo de teoria seria? Como poderia descrever corretamente o movimento dos corpos no Sistema Solar, como a teoria de Einstein é conhecida, e ainda nos dar a previsão diferente para o universo que precisamos? Existem teorias candidatas, mas nenhuma é convincente. Então o mistério continua.

A coisa que é necessária para decidir entre as possibilidades da energia escura – uma propriedade do espaço, um novo fluido dinâmico ou uma nova teoria da gravidade – é mais dados, melhores dados.

O que é matéria escura?

Ajustando um modelo teórico da composição do universo ao conjunto combinado de observações cosmológicas, os cientistas apresentaram a composição que descrevemos acima, ~ 68% de energia escura, ~ 27% de matéria escura, ~ 5% de matéria normal. O que é matéria escura?

Estamos muito mais certos do que a matéria escura não é do que somos o que é. Primeiro, é escuro, o que significa que não está na forma de estrelas e planetas que vemos. Observações mostram que há muito pouca matéria visível no universo para compor os 27% exigidos pelas observações. Em segundo lugar, não é sob a forma de nuvens escuras de matéria normal, matéria composta de partículas chamadas bárions. Sabemos disso porque seríamos capazes de detectar nuvens bariônicas pela absorção de radiação que passa por elas. Terceiro, a matéria escura não é antimatéria, porque não vemos os raios gama únicos que são produzidos quando a antimatéria se aniquila com a matéria. Finalmente, podemos descartar grandes buracos negros do tamanho de galáxias com base em quantas lentes gravitacionais vemos. Altas concentrações de matéria curvam a luz que passa perto de objetos mais distantes, mas não vemos eventos de lentes suficientes para sugerir que tais objetos compõem a contribuição necessária de matéria escura de 25%.

Uma das colisões mais complicadas e dramáticas entre aglomerados de galáxias já vistos é capturada nesta nova imagem composta de Abell 2744. O azul mostra um mapa da concentração de massa total (principalmente matéria escura).

No entanto, neste ponto, ainda existem algumas possibilidades de matéria escura que são viáveis. A matéria bariônica ainda poderia compor a matéria escura se estivesse toda amarrada em anãs marrons ou em pequenos e densos pedaços de elementos pesados. Essas possibilidades são conhecidas como objetos de halo compactos e maciços, ou “ MACHOs ”. Mas a visão mais comum é que a matéria escura não é bariônica, mas é composta de outras partículas mais exóticas, como axions ou WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles) .

Os pesquisadores ficaram surpresos quando descobriram a galáxia NGC 1052-DF2, que está faltando a maioria, se não toda, a matéria escura.

Desbloquear o mistério

Os cientistas ainda não observaram a matéria escura diretamente. Não interage com a matéria bariônica e é completamente invisível à luz e a outras formas de radiação eletromagnética, tornando a matéria escura impossível de ser detectada pelos instrumentos atuais. Mas os cientistas estão confiantes de que existe por causa dos efeitos gravitacionais que parece ter em galáxias e aglomerados de galáxias.

Por exemplo, de acordo com a física padrão, as estrelas nas bordas de uma galáxia espiral girando devem viajar muito mais lentamente do que aquelas próximas ao centro galáctico, onde a matéria visível de uma galáxia é concentrada. Mas as observações mostram que as estrelas orbitam mais ou menos a mesma velocidade, independentemente de onde estão no disco galáctico. Esse resultado intrigante faz sentido se assumirmos que as estrelas limítrofes estão sentindo os efeitos gravitacionais de uma massa não vista matéria escura em um halo ao redor da galáxia.

A matéria escura também poderia explicar certas ilusões de ótica que os astrônomos vêem no universo profundo. Por exemplo, imagens de galáxias que incluem anéis estranhos e arcos de luz poderiam ser explicadas se a luz de galáxias ainda mais distantes estiver sendo distorcida e ampliada por nuvens maciças e invisíveis de matéria escura no primeiro plano – um fenômeno conhecido como lente gravitacional.

Os cientistas têm algumas idéias para o que a matéria escura pode ser. Uma das principais hipóteses é que a matéria escura consiste em partículas exóticas que não interagem com matéria normal ou luz, mas que ainda exercem uma atração gravitacional. Vários grupos científicos, incluindo um no Large Hadron Collider do CERN, estão atualmente trabalhando para gerar partículas de matéria escura para estudo no laboratório.

Outros cientistas acham que os efeitos da matéria escura poderiam ser explicados modificando fundamentalmente nossas teorias da gravidade. De acordo com tais idéias, existem múltiplas formas de gravidade, e as galáxias gravitacionais de grande escala diferem da gravidade com a qual estamos acostumados.

Universo em Expansão

A energia escura é ainda mais misteriosa, e sua descoberta na década de 1990 foi um completo choque para os cientistas. Anteriormente, os físicos haviam assumido que a força atrativa da gravidade retardaria a expansão do universo ao longo do tempo. Mas quando duas equipes independentes tentaram medir a taxa de desaceleração, descobriram que a expansão estava realmente se acelerando. Um cientista comparou a descoberta a jogar um conjunto de chaves no ar esperando que elas caíssem de volta – apenas para vê-las voar em direção ao teto.

Os cientistas agora pensam que a expansão acelerada do universo é impulsionada por uma espécie de força repulsiva gerada por flutuações quânticas em espaços "vazios". Além do mais, a força parece estar se fortalecendo à medida que o universo se expande. Por falta de um nome melhor, os cientistas chamam essa força misteriosa de energia escura.

Ao contrário da matéria escura, os cientistas não têm uma explicação plausível para a energia escura. De acordo com uma idéia, a energia escura é um quinto e anteriormente desconhecido tipo de força fundamental chamada quintessência, que preenche o universo como um fluido.

Muitos cientistas também apontaram que as propriedades conhecidas da energia escura são consistentes com uma constante cosmológica, um band-aid matemático que Albert Einstein acrescentou à sua teoria da relatividade geral para fazer suas equações se encaixarem na noção de um universo estático. Segundo Einstein, a constante seria uma força repulsiva que neutraliza a gravidade, evitando que o universo entre em colapso. Einstein depois descartou a idéia quando observações astronômicas revelaram que o universo estava se expandindo, chamando a constante cosmológica de seu "maior erro".

Agora que vemos a expansão do universo está se acelerando, adicionando energia escura como uma constante cosmológica poderia perfeitamente explicar como o espaço-tempo está sendo esticado. Mas essa explicação ainda deixa os cientistas sem noção de por que a força estranha existe em primeiro lugar.

Jyotiraditya