• Começa com um estrondo

5 verdades sobre a matéria escura que nenhum cientista pode negar

A matéria escura nunca foi detectada diretamente, mas as evidências astronômicas de sua existência são esmagadoras. Aqui está o que saber.

Principais conclusões

• Apesar de todas as estrelas, galáxias, gás, poeira e muito mais que estão presentes no Universo, toda a “matéria normal” baseada em átomos representa apenas 5% da energia total do que está lá fora.
• O restante é feito de matéria escura (27%) e energia escura (68%), sendo a matéria escura responsável por tudo, desde a estrutura em grande escala do Universo até como as galáxias e aglomerados de galáxias se mantêm juntos.
• Muitos já se perguntaram se você poderia simplesmente modificar nossa teoria da gravidade para eliminar completamente a matéria escura, mas a resposta é não: não se você quiser explicar essas cinco evidências-chave de uma só vez.

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De vez em quando, os defensores de uma teoria marginal – uma que não se encaixa nas evidências tão bem quanto na teoria dominante – fazem o que podem para dar vida a ela. Às vezes, novas evidências vêm à tona, desafiando a teoria dominante e fazendo com que as alternativas sejam reavaliadas. Às vezes, um conjunto surpreendente de observações apóia uma teoria outrora desacreditada, trazendo-a de volta à proeminência. E outras vezes, uma narrativa falsa é a culpada, pois argumentos falsos que foram legitimamente descartados por profissionais tradicionais se apoderam de uma nova geração de indivíduos inexperientes.

A menos que você tenha o conhecimento necessário para diagnosticar o que está sendo apresentado de forma precisa e completa, é praticamente impossível distinguir esses cenários. Recentemente, outro físico sugeriu, em texto e , seguindo o exemplo de um contrarian incrivelmente controverso no campo, que a situação em torno da matéria escura mudou, e que a gravidade modificada agora merece igual consideração. Ainda mais recentemente, outro físico proeminente declarou um caso igualmente duvidoso para a inexistência de matéria escura .

A menos que você esteja no negócio de ignorar a maioria das evidências cósmicas, no entanto, esse simplesmente não é o caso. Aqui estão cinco verdades que, uma vez que você as conheça, podem ajudá-lo a ver através das falsas equivalências apresentadas por aqueles que semeariam dúvidas indevidas sobre um dos maiores quebra-cabeças da cosmologia.

Fontes distantes de luz – de galáxias, quasares e até mesmo do fundo cósmico de micro-ondas – devem passar por nuvens de gás. As características de absorção que vemos nos permitem medir muitas características sobre as nuvens de gás intervenientes, incluindo a abundância de elementos leves no interior.

1.) A quantidade total de matéria normal no Universo é inequivocamente conhecida .

Você pode olhar para o Universo – cheio de estrelas, galáxias, gás, poeira, plasma, buracos negros e muito mais – e se perguntar se não há mais “coisas conhecidas” por aí. Afinal, se houver efeitos gravitacionais adicionais além do que podemos explicar, talvez haja apenas alguma massa invisível lá fora responsável por isso. Essa ideia, de “matéria normal que é apenas escura”, foi uma das principais ideias que impediram que a matéria escura se tornasse uma parte aceita da cosmologia no século 20.

Afinal, há muito gás e plasma no Universo, e você pode imaginar que, se houver o suficiente, não precisaríamos de algum tipo fundamentalmente novo de matéria. Talvez se os neutrinos fossem massivos o suficiente, eles poderiam cuidar disso. Ou talvez se o Universo nasceu com muita matéria, e parte dela entrou em colapso para formar buracos negros no início, isso poderia resolver a incompatibilidade cósmica que vemos.

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Mas nenhuma dessas coisas é possível, pois a quantidade total de matéria normal no Universo é inequivocamente conhecida: 4,9% da densidade crítica, com uma incerteza de apenas ± 0,1% nesse valor.

Os elementos mais leves do Universo foram criados nos estágios iniciais do Big Bang quente, onde prótons e nêutrons brutos se fundiram para formar isótopos de hidrogênio, hélio, lítio e berílio. O berílio era todo instável, deixando o Universo apenas com os três primeiros elementos antes da formação das estrelas. As proporções observadas dos elementos nos permitem quantificar o grau de assimetria matéria-antimatéria no Universo comparando a densidade bariônica com a densidade do número de fótons, e nos leva à conclusão de que apenas ~ 5% da densidade total de energia moderna do Universo é permitido existir na forma de matéria normal.

A principal restrição observacional é a abundância observada dos elementos leves: hidrogênio, deutério, hélio-3, hélio-4 e lítio-7. Durante os primeiros ~4 minutos do Big Bang quente, esses elementos leves foram forjados nos incêndios nucleares do Universo primitivo. A quantidade de cada elemento que obtemos é altamente dependente da quantidade total de matéria normal que havia naqueles primeiros momentos. Hoje, medimos essas abundâncias diretamente, por meio de medições espectroscópicas de nuvens de gás, mas também indiretamente: por meio de observações detalhadas do fundo cósmico de micro-ondas. Ambos os tipos de medições apontam para a mesma imagem: uma em que 4,9% ± 0,1% da energia do Universo está na forma de matéria normal.

Isso é muito rápido para formar buracos negros, então eles estão fora. A Nucleossíntese do Big Bang depende de neutrinos, e três tipos – o elétron, o múon e o tau – são os únicos permitidos, e também não podem ser a matéria escura. Nada no Modelo Padrão, de fato, fará o trabalho. Mas esse fato-chave não pode ser contestado com razão: dada a quantidade de matéria normal que determinamos que temos, um novo tipo de ingrediente fundamental deve existir para ser consistente com nossas observações cosmológicas. Chamamos esse ingrediente de “matéria escura” e ele deve existir.

As observações em maior escala no Universo, desde o fundo cósmico de micro-ondas até a teia cósmica, aglomerados de galáxias e galáxias individuais, todas requerem matéria escura para explicar o que observamos. Tanto nos primeiros quanto nos últimos tempos, é necessária a mesma proporção de 5 para 1 de matéria escura para matéria normal.

2.) Você não pode explicar nem o fundo cósmico de microondas ou a estrutura em grande escala do Universo sem matéria escura .

Imagine o Universo como era nos estágios iniciais: quente, denso, quase perfeitamente uniforme, expandindo e esfriando o tempo todo. Algumas regiões, nascidas com densidades um pouco maiores que outras, começarão a atrair preferencialmente matéria para elas, tentando crescer gravitacionalmente.

À medida que a gravitação começa a funcionar, a densidade aumenta, fazendo com que a pressão de radiação no interior também aumente. Esse crescimento eventualmente faz com que a densidade atinja o pico, o que leva os fótons a fluir para fora dela, e a densidade volta a diminuir. Com o passar do tempo, regiões maiores podem começar a crescer por meio do colapso, enquanto as regiões menores colapsam, se rarificam, colapsam novamente, etc. Esse comportamento levará a imperfeições de temperatura no brilho remanescente do Big Bang e, eventualmente, formará as sementes de estrutura que se transforma em estrelas, galáxias e a teia cósmica.

Mas você terá um conjunto diferente de comportamento, tanto no fundo cósmico de micro-ondas quanto na estrutura de grande escala do Universo, dependendo se você tem matéria escura e matéria normal, ou apenas matéria normal sozinha.

À medida que nossos satélites melhoraram em suas capacidades, eles sondaram escalas menores, mais bandas de frequência e diferenças de temperatura menores no fundo de micro-ondas cósmica. As imperfeições da temperatura ajudam a nos ensinar do que o Universo é feito e como ele evoluiu, pintando um quadro que requer matéria escura para fazer sentido.

A razão é porque a física é diferente. Tanto a matéria escura quanto a matéria normal gravitam. Ambos levam a aumentos na pressão de radiação, e essa radiação flui de uma região superdensa, seja ela feita de matéria normal, matéria escura ou ambas. Mas a matéria normal colide com outra matéria normal e interage com fótons, enquanto a matéria escura é invisível para tudo. Como resultado, um Universo com matéria escura tem o dobro do número de picos e vales de flutuação no espectro cósmico de fundo de micro-ondas e também no espectro de energia da estrutura em grande escala do que um Universo com matéria normal sozinha.

Definitivamente e sem ambiguidade, a matéria escura é necessária. Especificamente, essa matéria escura tem que ser fria, sem colisões e invisível à radiação eletromagnética: não pode ser matéria normal. Se você quiser aumentar o mostrador do seu medidor de ceticismo, fique de olho em artigos contrários que tentem explicar tanto o fundo cósmico de micro-ondas ou o espectro de potência da matéria sem matéria escura; as chances são de que eles adicionem algo – como um neutrino maciço, um neutrino estéril ou um campo extra com um acoplamento especificamente ajustado – que funciona de forma indistinguível da matéria escura.

A formação da estrutura cósmica, tanto em grande quanto em pequena escala, é altamente dependente de como a matéria escura e a matéria normal interagem. Apesar da evidência indireta de matéria escura, adoraríamos poder detectá-la diretamente, algo que só pode acontecer se houver uma seção transversal diferente de zero entre a matéria normal e a matéria escura. Não há evidências disso, nem de uma abundância relativa variável entre matéria escura e normal.

3.) A matéria escura se comporta como uma partícula, e isso é fundamentalmente especial comparado a algo que se comporta como um campo .

Há outra narrativa falsa sendo vendida recentemente por aqueles que desejam semear dúvidas sobre a matéria escura: que, como as partículas são apenas excitações de campos quânticos, adicionar um novo campo quântico (ou modificar o campo gravitacional) pode ser equivalente a adicionar novos matéria) partículas. Este é o pior tipo de argumento: aquele que tem um núcleo técnico de verdade, mas que engana sobre o ponto central de tudo.

Aqui está o ponto central: os campos são gerais e permeiam todo o espaço. Eles podem ser homogêneos (os mesmos em todos os lugares) ou grumosos; eles podem ser isotrópicos (os mesmos em todas as direções) ou podem ter uma direção preferencial. As partículas, por outro lado, podem ser sem massa, caso em que devem se comportar como radiação, ou podem ser massivas, caso em que devem se comportar como partículas tradicionais. Se for o último caso, essas partículas:

• aglomerar,
• gravitar,
• têm as relações conhecidas e compreendidas entre a energia cinética e potencial,
• têm propriedades de partículas significativas, como seções transversais, amplitudes de espalhamento e acoplamentos,
• e se comportar de acordo com (pelo menos) as leis conhecidas da física.

Este trecho de uma simulação de formação de estrutura, com a expansão do Universo em escala, representa bilhões de anos de crescimento gravitacional em um Universo rico em matéria escura. Observe que filamentos e aglomerados ricos, que se formam na interseção dos filamentos, surgem principalmente devido à matéria escura; a matéria normal desempenha apenas um papel menor.

É por essas razões – por todas as propriedades da matéria escura que pudemos inferir apenas a partir de observações astrofísicas – que concluímos que a matéria escura é semelhante a partículas por natureza. Isso não significa que não possa ser um fluido sem pressão, um tipo de poeira grumosa, ou que sua seção transversal seja zero em todas as interações, exceto na gravitacional. O que isso significa é que, se você tentar substituir a matéria escura por um campo, esse campo deve se comportar de uma maneira que, do ponto de vista astrofísico, não é distinguível do comportamento de um grande conjunto de partículas massivas.

A matéria escura não precisa ser uma partícula, mas dizer “pode ser um campo tão facilmente quanto pode ser uma partícula”, encobre a grande verdade: que a matéria escura se comporta exatamente da maneira que nós esperar que uma nova população de partículas frias, massivas e não dispersivas se comportem. Particularmente em grandes escalas cósmicas, ou seja, as escalas de aglomerados de galáxias (cerca de 10 a 20 milhões de anos-luz) e maiores, esse comportamento semelhante a partículas só pode ser substituído por um campo que se comporta de forma indistinguível de como a matéria escura de partículas se comportaria.

A formação de estrelas em pequenas galáxias anãs pode “aquecer” lentamente a matéria escura, empurrando-a para fora. A imagem da esquerda mostra a densidade do gás hidrogênio de uma galáxia anã simulada, vista de cima. A imagem da direita mostra o mesmo para uma galáxia anã real, IC 1613. Na simulação, o fluxo repetido de entrada e saída de gás faz com que a força do campo gravitacional no centro da anã flutue. A matéria escura responde a isso migrando do centro da galáxia, um efeito conhecido como 'aquecimento da matéria escura'.

4.) Efeitos físicos de pequena escala muito reais, como aquecimento dinâmico, formação de estrelas e feedback, e efeitos não lineares devem ser trabalhados .

Os problemas com a matéria escura – ou melhor, os casos em que a matéria escura fria e sem colisões faz previsões que entram em conflito com as observações – ocorrem quase exclusivamente em pequenas escalas cósmicas: escalas de grandes galáxias individuais e menores. É verdade: certas modificações na gravidade podem corresponder melhor às observações nessas escalas. Mas há um segredo sujo aqui: há uma física confusa nessas pequenas escalas que todos concordam que não foi devidamente contabilizada. Até que possamos explicá-los adequadamente, não sabemos se devemos chamar a gravidade modificada ou as abordagens da matéria escura de sucessos ou fracassos.

Isso é trabalho duro! Quando a matéria colapsa no centro de um objeto massivo, ela:

• perde momento angular,
• aquece,
• pode desencadear a formação de estrelas,
• que leva à radiação ionizante,
• que empurra a matéria normal do centro para fora,
• que gravitacionalmente “aquece” a matéria escura no centro,

e tudo isso precisa ser calculado. Além disso, estamos considerando apenas o cenário de matéria escura mais simples: puramente frio e sem colisões, sem interações externas ou autointerações. Claro, poderíamos modificar a gravidade além de adicionar matéria escura fria e sem colisões, ou poderíamos perguntar: “Que propriedades de interação a matéria escura poderia ter que levaria à estrutura em pequena escala que observamos?” Essas abordagens são igualmente válidas, mas ambas exigem a existência de matéria escura – quer você a chame de matéria escura ou não – e devem contar com esses efeitos reais e conhecidos.

Um aglomerado de galáxias pode ter sua massa reconstruída a partir dos dados de lentes gravitacionais disponíveis. A maior parte da massa é encontrada não dentro das galáxias individuais, mostradas como picos aqui, mas no meio intergaláctico dentro do aglomerado, onde a matéria escura parece residir. Simulações e observações mais granulares também podem revelar a subestrutura da matéria escura, com os dados concordando fortemente com as previsões da matéria escura fria.

5.) Você deve explicar o conjunto completo de evidências cosmológicas, ou você está escolhendo a dedo, não fazendo ciência legítima .

Este é um ponto enorme que não pode ser enfatizado o suficiente: temos todos esses dados sobre o Universo e você deve levar tudo isso em consideração ao tirar suas conclusões. Isso inclui os seguintes exemplos:

• você deve olhar para todos os sete picos acústicos no fundo de microondas cósmico, não apenas os dois primeiros,
• você deve ser honesto sobre se a “coisa” que você está adicionando (em vez de matéria escura) é equivalente e indistinguível da matéria escura,
• você não deve modificar sua lei da gravidade de uma forma que explique características de pequena escala ao custo de não explicar características de grande escala,
• você não deve escolher resultados estatisticamente improváveis ​​que ocorreram claramente (mas não são proibidos) como “evidência” de que a teoria principal está errada (veja o baixo quadrupolo/octupolo no CMB por anos de esforço desperdiçado nessa frente),
• e você não deve simplificar demais e descaracterizar os sucessos da principal ideia teórica que sua abordagem contrária deseja suplantar.

Lembre-se, para derrubar e suplantar uma velha ideia científica, o primeiro obstáculo que você precisa superar é reproduzir todos os sucessos da velha teoria. Podemos de fato precisar de uma nova lei da gravidade para explicar nosso Universo, mas você não pode fazê-lo de tal forma que a matéria escura também não seja necessária.

Os pontos de dados de nossas galáxias observadas (pontos vermelhos) e as previsões de uma cosmologia com matéria escura (linha preta) se alinham incrivelmente bem. As linhas azuis, com e sem modificações na gravidade, não podem reproduzir essa observação sem modificações adicionais que se comportam de forma indistinguível de como a matéria escura fria se comporta.

Existem alguns pontos muito importantes que você nunca deve esquecer quando se trata da questão da matéria escura e da gravidade modificada em pequenas e grandes escalas. Em grandes escalas, os efeitos gravitacionais são os únicos que importam e representam o laboratório astrofísico “mais limpo” para testar a física cosmológica. Em escalas menores, estrelas, gás, radiação, feedback e outros efeitos decorrentes da física da matéria normal desempenham um papel extremamente importante, e as simulações ainda estão melhorando. Ainda não chegamos ao ponto em que podemos fazer física de pequena escala sem ambiguidade, mas a física de grande escala está lá há muito tempo e aponta decisivamente o caminho para a matéria escura.

A maneira mais fácil de se enganar é fazer algo que lhe dê a resposta certa sem levar em conta o conjunto completo do que deve estar em jogo. Obter a resposta certa pelo motivo errado - especialmente se você puder verificar se a resposta está certa - é a maneira mais infalível de se convencer de que você está em algo grande, mesmo que a única coisa que você tenha capturado sejam os efeitos do física importante que você não considerou. Embora não saibamos se a lei da gravidade precisa ser modificada, podemos ter certeza de que, quando se trata da matéria em nosso Universo , cerca de 85% dele é realmente escuro.

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