A matéria escura é real? O mistério de várias décadas da astronomia
O principal problema com a hipótese da matéria escura é que ninguém sabe que forma a matéria escura pode assumir.
- Apesar dos recentes avanços em astrofísica e astronomia, os cientistas ainda não entendem exatamente como as galáxias podem existir.
- A explicação mais comum para esse enigma observacional é uma forma de matéria até agora não descoberta: a matéria escura.
- Ainda assim, a matéria escura ainda não foi observada diretamente pelos cientistas.
A astronomia moderna está em um pouco de turbulência. Os astrônomos entendem como as estrelas se formam, queimam e morrem, e estão melhorando sua compreensão de como os planetas se agrupam em sistemas planetários como o nosso.
Mas os astrônomos têm um problema: eles não entendem como as galáxias podem existir – um problema que permaneceu sem solução após décadas de pesquisa.
O problema é relativamente simples. Galáxias são coleções de estrelas mantidas juntas pela gravidade. Como nosso sistema solar, eles giram, com estrelas marchando em caminhos majestosos, orbitando o centro galáctico. A qualquer distância fixa do centro da galáxia, as estrelas que se movem mais rápido requerem uma gravidade mais forte para mantê-las nessa órbita. Quando os astrônomos medem a velocidade orbital das estrelas em galáxias em uma faixa de distâncias do centro, eles descobrem que as estrelas estão se movendo tão rápido que as galáxias deveriam ser despedaçadas.
A explicação mais comum para esse enigma observacional é uma forma de matéria até agora não descoberta: a matéria escura. Se existe, a matéria escura exerce gravidade, mas não emite luz ou qualquer forma de radiação eletromagnética. Isso significa que não pode ser visto por telescópios ou qualquer instrumentação que os astrônomos usam para observar o cosmos. No entanto, essa matéria escura invisível aumentaria a atração gravitacional de qualquer galáxia, explicando por que as estrelas orbitam a galáxia tão rapidamente.
O problema com a hipótese da matéria escura é que ninguém sabe qual a forma da matéria escura. Quando o termo foi proposto pela primeira vez em 1933 pelo astrônomo suíço-americano Fritz Zwicky, era possível que a massa extra fosse simplesmente nuvens de gás hidrogênio. O gás hidrogênio interestelar é praticamente invisível aos telescópios. No entanto, à medida que a tecnologia melhorou, os astrônomos encontraram maneiras de medir a quantidade de gás hidrogênio nas galáxias e, embora haja muito por aí, não há o suficiente para explicar o mistério da rotação das galáxias.
Inscreva-se para receber histórias contra-intuitivas, surpreendentes e impactantes entregues em sua caixa de entrada todas as quintas-feirasOutras explicações que foram propostas incluem coisas como estrelas queimadas, buracos negros e outros objetos que existem dentro de galáxias, mas não emitem luz. No entanto, os astrônomos procuraram por tais objetos (chamados MACHOs, abreviação de MAssive Compact Halo Objects) na década de 1990 e, novamente, enquanto encontraram exemplos de MACHOs, não foram suficientes para explicar o movimento das estrelas nas galáxias.
WIMPs
Com algumas das explicações mais simples descartadas, os cientistas começaram a pensar que talvez a matéria escura exista como uma espécie de “gás”, ou como partículas nunca antes vistas. Essas partículas são genericamente chamadas de “WIMPs”, abreviação de “Weakly Interacting Massive Particles”. Os WIMPs, se existirem, são basicamente partículas subatômicas estáveis, com massa em algum lugar na faixa da massa de um próton até 10.000 prótons, ou até mais.
Como todos os candidatos a partículas de matéria escura, os WIMPs interagem gravitacionalmente, mas esse “W” no nome significa que eles também interagem através da força nuclear fraca. A força nuclear fraca está envolvida em algumas formas de radioatividade. muito mais forte que a gravidade, mas ao contrário do alcance infinito da gravidade, a força nuclear fraca atua apenas em pequenas distâncias – distâncias muito menores que um próton. Se existem WIMPs, eles permeiam galáxias, incluindo nossa Via Láctea e até nosso próprio sistema solar. Dependendo da massa dos WIMPs, os astrônomos estimam que, se você fechar o punho, uma partícula de matéria escura pode ser encontrada dentro dele.
Os cientistas têm procurado evidências diretas e convincentes da existência de WIMPs por muitas décadas. Eles fazem isso de várias maneiras. Por exemplo, algumas teorias WIMP sugerem que WIMPs podem ser feitos em aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider na Europa. Os físicos de partículas analisam seus dados, esperando ver a assinatura da produção de WIMP. Nenhuma evidência foi observada até agora.
Outra maneira pela qual os pesquisadores procuram WIMPs é observar diretamente as partículas de matéria escura que flutuam pelo sistema solar. Os cientistas constroem detectores muito grandes e os resfriam a temperaturas muito baixas para que os átomos dos detectores se movam lentamente. Eles então colocam esses detectores a meia milha ou mais no subsolo para protegê-los da radiação do espaço. Então eles esperam, esperando que uma partícula de matéria escura interaja em seu detector, perturbando um dos átomos quase estacionários.
Mas, apesar de décadas de esforços, nenhum WIMPs foi observado. Previsões na década de 1980 sugeriram que os pesquisadores poderiam esperar detectar WIMPs em uma taxa específica. Quando nenhum WIMP foi detectado, os pesquisadores construíram uma série de detectores com sensibilidade muito maior, todos os quais falharam em encontrar WIMPs. Os detectores atuais são 100 milhões de vezes mais sensíveis do que os da década de 1980, e nenhuma observação definitiva de WIMPs ocorreu, incluindo um medição muito recente pelo experimento LZ, que emprega 10 toneladas de xenônio para obter uma sensibilidade incomparável aos WIMPs.
Ansioso
Depois de décadas falhando em detectar a matéria escura, a comunidade científica está reexaminando a situação. O que se sabe com certeza? Entre outras coisas, os astrônomos estão certos de que as galáxias giram mais rápido do que pode ser explicado usando as leis conhecidas de movimento e gravidade e a quantidade de matéria observada. A hipótese da matéria escura é uma solução para um déficit de matéria, mas talvez não seja a resposta. Talvez a explicação real seja que as leis do movimento e da gravidade precisam ser reexaminadas.
O nome para tal abordagem é chamado MOND – abreviação de “MOdifications of Newtonian Dynamics”. A primeira solução desse tipo foi proposta na década de 1980 pelo físico israelense Mordehai Milgrom. Ele propôs que, para o movimento familiar que experimentamos no dia-a-dia, as leis do movimento elaboradas por Isaac Newton em 1600 funcionam muito bem. Mas para forças muito pequenas e acelerações muito pequenas (como nos arredores das galáxias), essas leis precisavam ser ajustadas. Depois de fazer esses ajustes, ele poderia prever corretamente a rotação das galáxias.
Embora tal conquista possa ser vista como um grande sucesso, ele mudou as equações para corresponder às propriedades rotacionais observadas das galáxias. Esse não é o teste bem-sucedido de uma teoria. Ele sabia a resposta antes de criar as equações.
Para testar a teoria de Milgrom, os pesquisadores precisavam comparar suas previsões em outras situações, como aplicá-la ao movimento de grandes aglomerados de galáxias mantidos juntos por sua atração gravitacional mútua. A teoria MOND se esforça para fazer uma previsão desse movimento que esteja de acordo com a teoria e também discorde de outras observações.
Então, onde estamos? Estamos naquela fase deliciosa de um enigma científico – um mistério ainda em busca de uma solução. Enquanto a maioria da comunidade científica fica do lado da matéria escura, o fracasso em provar a existência da matéria escura está levando alguns a dar uma olhada muito mais séria nas teorias que modificam as teorias aceitas de gravidade e movimento.
Se a matéria escura existe, é cinco vezes mais prevalente do que a matéria atômica comum. Se a resposta correta for que precisamos revisitar nossas leis de movimento e gravidade, isso terá consequências significativas para nossa modelagem da história do universo. O experimento LZ continua operando, esperando melhorar seu desempenho já impressionante, e os pesquisadores estão construção de novos detectores , na esperança de encontrar matéria escura e resolver definitivamente o mistério.
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