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Pergunte a Ethan #100: Por que a matéria escura não forma buracos negros?

Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech, via http://www.nasa.gov/mission_pages/nustar/multimedia/pia16695.html.

Se a matéria escura é a forma mais abundante de massa e tem gravidade, onde estão todas as estruturas de matéria escura?

Todos os empreendimentos que são iniciados com zelo indiscreto podem ser perseguidos com grande vigor no início, mas certamente entrarão em colapso no final. – Tácito

Eu não posso acreditar que já foram 100 edições da nossa série Ask Ethan. A cada semana, você envie suas dúvidas e sugestões , e eu escolho o meu favorito para mostrar e responder para o mundo. Houve alguns muito difíceis de recusar esta semana, mas não pude dizer não à submissão de Jerry Mason:

Se a matéria escura tem gravidade, por que não forma buracos negros ou outras estruturas?

A matéria escura com certeza tem gravidade, e com certeza não formam buracos negros, estrelas de matéria escura, planetas ou átomos escuros. Então por que isso?

Crédito da imagem: colaboração RHIC, Brookhaven, via http://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=11403 .

Imagine o Universo como ele poderia ter sido nos estágios muito, muito iniciais, antes que houvesse algum buracos negros, estrelas, planetas ou átomos. Tudo o que tínhamos era um mar quente, denso e em expansão de matéria e radiação de todos os diferentes tipos permitidos. Com o tempo, o Universo envelheceu por alguns minutos, os núcleos atômicos estão lá, todos os elétrons estão lá, todos os neutrinos e fótons estão lá, e toda a matéria escura está lá também.

Eles estão todos voando a velocidades incríveis, claro, mas também estão exercendo forças uns sobre os outros. É verdade que eles todo sinta a força gravitacional (até fótons, graças à equivalência energia-massa de Einstein), mas a gravidade não é a única coisa que importa aqui.

Crédito da imagem: Amanda Yoho.

Fótons e elétrons têm o pior: eles interagem com muita frequência através da força eletromagnética, espalhando e ricocheteando um no outro, trocando energia, momento e colidindo em uma taxa alarmante.

Os núcleos se saem um pouco melhor: eles são muito mais massivos, então sua taxa de interação é menor e eles ganham (ou perdem) menos impulso a cada colisão.

Os neutrinos têm muito mais sorte: eles não têm carga elétrica e, portanto, não interagem por meio da força eletromagnética. Em vez disso, eles só podem interagir (além da gravidade) através da força fraca, o que significa que as colisões são incrivelmente raras.

Mas a matéria escura é a melhor em termos de liberdade: até onde sabemos, ela só interage por gravidade. Não há colisões e, portanto, tudo o que a matéria escura pode fazer é ser atraída por outras fontes de matéria.

Isso pode, você se preocupa, tornar as coisas pior ! Enquanto a matéria normal tem colisões e interações que a impedem de colapsar gravitacionalmente, formando aglomerados mais densos, etc., a densidade da matéria escura começa a crescer nas regiões superdensas. Mas isso não acontece do jeito que você pensa sobre o colapso acontecendo. Quando uma nuvem de gás colapsa para formar estrelas, o que acontece?

Crédito da imagem: equipe ESO/VPHAS+, via http://www.eso.org/public/images/eso1403a/ .

O gás interage através da força gravitacional, tornando-se mais denso, mas a matéria que compõe esse gás fica junto , permitindo-lhe atingir um estado mais denso. Essa viscosidade só acontece graças à força eletromagnética! É por isso que as coisas podem entrar em colapso para produzir objetos vinculados como estrelas, planetas e até átomos.

Sem essa viscosidade? Você acabaria com uma estrutura difusa, frouxamente unida e fofa, unida apenas pela gravidade. É por isso que você ouve falar de matéria escura quase , de matéria escura filamentos em escalas muito grandes, e de nenhuma outra estrutura de matéria escura.

Crédito da imagem: Ralf Kaehler, Oliver Hahn e Tom Abel (KIPAC).

Agora, esses halos difusos e fofos são incrivelmente importantes: eles representam as sementes de toda a estrutura ligada no Universo hoje. Isso inclui galáxias anãs, galáxias normais, grupos de galáxias, aglomerados de galáxias, superaglomerados e filamentos, bem como toda a subestrutura que compõe esses objetos. Mas sem essa força extra – sem alguma força adesiva para mantê-la unida, para trocar energia e impulso – a matéria escura está destinada a permanecer nesse estado fofo e difuso. A matéria normal pode formar as estruturas fortemente ligadas às quais você está acostumado, mas a matéria escura não tem como colidir inelasticamente, perder momento ou momento angular e, portanto, deve permanecer frouxamente ligada e semelhante a um halo.

Crédito da imagem: ESO/L. Calçada, via http://www.eso.org/public/images/eso1217a/ .

É um pouco desconcertante pensar que não é a força gravitacional que leva a planetas, estrelas, buracos negros e muito mais, mas a gravidade é apenas parte da equação. Para realmente levar esse ponto à tona, imagine que você pegou uma bola de algum tipo e a lançou, com a bola – como você sabe – feita de átomos. O que a bola vai fazer?

Crédito da imagem: Dan Thurber da Alzar School, via http://alzarschool.org/interpreting-parabolic-models/ .

Claro, ele se moverá em um caminho parabólico (desconsiderando a resistência do ar), subindo até uma altura máxima e caindo até finalmente atingir a Terra. Em uma escala mais fundamental, a bola se move em uma órbita elíptica com o centro de massa da Terra como um dos focos da elipse, mas o solo fica no caminho dessa elipse, e então a porção que vemos parece uma parábola.

Mas se você magicamente transformasse aquela bola em um aglomerado de matéria escura, o que você obteria o surpreenderia muito.

Crédito da imagem: Dave Goldberg de Ask A Mathematician/Ask A Physicist, via http://www.askamathematician.com/2012/01/q-why-does-gravity-make-some-things-orbit-and-some-things-fall/ .

Sem a força eletromagnética, um monte de coisas terríveis acontecem:

• Não há interação, de outros do que a gravidade, entre as partículas que compõem a bola e os átomos da Terra. Em vez de fazer uma parábola, o aglomerado de matéria escura percorre todas as camadas da Terra, girando em torno do centro em uma elipse (quase perfeita) (mas não exatamente, devido às camadas e densidade não uniforme da Terra ), saindo perto de onde entrou, fazendo uma parábola novamente e continuando a orbitar assim interminavelmente.
• Também não há interações segurando este grupo juntos ! Assim, embora os átomos em uma bola tenham alguns movimentos aleatórios, eles são mantidos juntos pela força eletromagnética, mantendo essa estrutura semelhante a uma bola. Mas se você remover essa força eletromagnética, os movimentos aleatórios das partículas de matéria escura funcionarão para desvincular isto de ser um aglomerado, uma vez que a gravitação do aglomerado em si é insuficiente para mantê-lo unido.
• Isso significa que ao longo do tempo (e muitas órbitas), a matéria escura se estica em uma longa elipse, e essa elipse fica cada vez mais difusa, semelhante às partículas que compõem o fluxo de detritos de um cometa, apenas ainda mais difuso!

Crédito da imagem: Gehrz, R. D., Reach, W. T., Woodward, C. E., e Kelley, M. S., 2006, da trilha do Cometa Encke.

A matéria escura não pode formar buracos negros ou outras estruturas fortemente ligadas porque a gravidade por si só não é suficiente para unir algo firmemente. Como a força da gravidade é tão fraca, ela só pode ligá-la frouxamente, o que significa estruturas enormes, difusas e muito massivas. Se você quer um aglomerado de algo – uma estrela, um planeta ou até um átomo – você precisa de uma força que seja mais forte que a gravidade para que isso aconteça.

Ainda pode haver um! Isto é possível que a matéria escura se autointerage (ou interage com a matéria ou radiação, em algum nível), mas se isso acontecer, temos apenas restrições sobre o quão fraca é essa interação. E é muito, muito fraco se for diferente de zero.

Crédito da imagem:Mirabolfathi, NaderarXiv: 1308.0044 [astro-ph.IM], via https://inspirehep.net/record/1245953/plots .

Então, embora pensemos na gravidade como a única força que importa nas maiores escalas, a verdade é que quando pensamos nas estruturas que vemos – aquelas que emitem luz, que abrigam átomos e moléculas, que colapsam em buracos negros – é o de outros forças, em conjunto com a gravidade, que permitem que eles existam. A matéria escura não pode fazer essas estruturas, infelizmente, porque a gravidade sozinha simplesmente não é boa o suficiente para fazer o trabalho.

E é isso para a 100ª edição do Ask Ethan!

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