• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: a matéria escura pode realmente explicar a estrutura do universo?

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, bem como as flutuações iniciais de densidade que têm sua origem na física quântica. As estruturas que surgem, incluindo aglomerados de galáxias e filamentos de maior escala, são consequências indiscutíveis da matéria escura. (COLABORAÇÃO ILLUSTRIS / SIMULAÇÃO ILLUSTRIS)

Por que a matéria escura, se não dissipa energia, fica gravitacionalmente ligada?

Um dos componentes mais intrigantes do Universo tem que ser a matéria escura. Embora tenhamos evidências astrofísicas extraordinárias de que a matéria normal no Universo – o material feito de partículas conhecidas no Modelo Padrão – não pode explicar a maioria dos efeitos gravitacionais que observamos, todas essas evidências são indiretas. Ainda temos que obter um fragmento de evidência direta repetível e verificável de qualquer partícula que possa ser responsável pela matéria escura. A evidência total impõe restrições muito rígidas a quaisquer interações não gravitacionais que a matéria escura possa possuir. Mas se a matéria escura só interage através da força gravitacional, ela pode realmente explicar a estrutura do Universo? Isso é o que Apoiador do Patreon Dr. Laird Whitehill quer saber, perguntando:

Se as partículas de matéria escura não interagem e a única força que governa seu movimento é a gravidade, como as partículas de matéria escura se unem em uma nuvem? [Em outras palavras,] por que todas as partículas não são hiperbólicas?

Esta é uma pergunta muito profunda, e a resposta nos leva profundamente ao coração de como a gravidade funciona no Universo. Vamos começar em nosso próprio quintal.

Dentro do nosso Sistema Solar, a influência gravitacional do Sol tem um efeito dominante sobre todas as massas que se aproximam dele. O Sol representa 99,8% da massa do nosso Sistema Solar e é a razão pela qual todos os objetos que descobrimos têm suas órbitas em uma das quatro categorias: circular, elíptica, parabólica ou hiperbólica. (NASA)

Aqui em nosso Sistema Solar, mais de 99,8% da massa existe em apenas um local central: nosso Sol. Se qualquer outra massa se aproximar o suficiente para ser significativamente influenciada pela gravitação do Sol, existem apenas quatro trajetórias possíveis que ela pode assumir.

1. Ele pode fazer uma órbita elíptica ao redor do Sol, o que sempre fará se estiver gravitacionalmente ligado.
2. Ele pode fazer uma órbita circular ao redor do Sol, que também é gravitacionalmente ligado, mas possui um conjunto especial de parâmetros orbitais.
3. Ele pode fazer uma órbita parabólica ao redor do Sol, o que faz se estiver na fronteira de ser gravitacionalmente vinculado versus não vinculado.
4. Ou pode fazer uma órbita hiperbólica, que é o que sempre fará se for gravitacionalmente desvinculada.

Objetos que entram em nosso Sistema Solar vindos de fora dele – intrusos interestelares como ‘Oumuamua ou Borisov – sempre farão uma órbita hiperbólica contanto que sejam influenciados apenas pelo Sol (e não por qualquer outro objeto no Sistema Solar. ) gravitação.

O objeto natural mais excêntrico já descoberto em nosso Sistema Solar, 2I/Borisov está apenas de passagem. No início de dezembro de 2019, fez suas aproximações mais próximas do Sol e da Terra, passando para o interior da órbita de Marte. Borisov já se foi há muito tempo, voltando para fora do Sistema Solar em uma órbita hiperbólica. (CASEY M. LISSE, SLIDES DE APRESENTAÇÃO (2019), COMUNICAÇÃO PRIVADA)

Isso porque a gravidade é o que chamamos de força conservativa: objetos que interagem apenas gravitacionalmente entrarão em uma região do espaço com a mesma velocidade e mesma energia cinética com que sairão. A gravidade apenas mudará a trajetória do objeto, não sua velocidade ou sua energia; ambas as quantidades são conservadas, pois nem a energia nem o momento são liberados ou perdidos pelo sistema.

Embora tenhamos observado que isso é verdade em muitos casos - dentro e fora do nosso Sistema Solar - é exatamente teoricamente verdade na gravidade newtoniana, e seria exatamente verdade na Relatividade Geral se você estivesse disposto a ignorar a quantidade minúscula de energia perdida devido às ondas gravitacionais. O que significa que qualquer objeto que interaja apenas gravitacionalmente, incluindo uma partícula solitária de matéria escura, entraria no Sistema Solar a uma velocidade específica, chegaria perto do Sol e atingiria uma velocidade máxima, seria redirecionado pela gravidade e sairia do Sistema Solar. exatamente na mesma velocidade (mas em uma direção diferente) em comparação com o que entrou.

Este diagrama esquemático do nosso sistema solar mostra o caminho dramático do objeto inicialmente designado A/2017 U1 (linha tracejada) quando cruzou o plano dos planetas (conhecido como eclíptica), e depois virou e voltou para fora. Este objeto é agora conhecido por ter uma origem interestelar e foi nomeado ‘Oumuamua. Sua órbita hiperbólica surge da lei de força newtoniana e sai na mesma velocidade em que entrou em nosso Sistema Solar. (BROOKS BAYS / SOEST PUBLICATION SERVICES / UH INSTITUTE FOR ASTRONOMY)

A razão pela qual a matéria normal forma as estruturas complexas que vemos, estruturas como galáxias, aglomerados de estrelas, sistemas solares individuais e outros aglomerados de matéria, é porque ela pode experimentar essas interações não gravitacionais. Através das forças eletromagnéticas e nucleares, a matéria normal pode fazer o seguinte:

• experimentar colisões inelásticas pegajosas, onde duas ou mais partículas se unem para formar uma partícula composta,
• interagem com a radiação, onde podem irradiar energia (na forma de calor) ou absorver radiação, alterando sua energia cinética e seu momento,
• e pode dissipar energia de forma eficiente, permitindo um tipo de colapso gravitacional que a matéria escura não pode sofrer.

Considerando que, em um sistema imutável, uma partícula de matéria escura que cai a uma certa velocidade inevitavelmente sairia na mesma velocidade (e raio) em que entrou, uma partícula feita de matéria normal poderia interagir de maneira não gravitacional com todos as outras partículas de matéria normal e radiação no interior. Em geral, ele colidirá com essas partículas, transferindo energia entre elas, levando à produção de radiação e criando um estado final mais fortemente ligado do que o estado inicial.

Enquanto a matéria normal dentro de uma estrutura ligada, como uma galáxia, colidirá, interagirá e dissipará energia, a matéria escura não pode fazer tal coisa. Como resultado, a matéria normal se aglutina no centro, produzindo um pequeno disco rico em matéria com braços espirais, estrelas, planetas e outras estruturas muito densas, enquanto a matéria escura permanece em um halo grande e difuso sem essa pequena escala. estruturas. (ESO / L. CALÇADA)

A matéria normal, porque pode dissipar sua energia e impulso de uma maneira que a matéria escura não pode, pode facilmente formar estruturas coladas e colapsadas. A matéria escura, por outro lado, não pode. Se você só tiver interações gravitacionais quando cair em uma estrutura estabelecida e imutável, sairá com as mesmas propriedades com as quais entrou.

Mas o Universo não é realmente um lugar estabelecido e imutável, e isso muda a história drasticamente. Em particular, há dois fenômenos aos quais precisamos prestar atenção, porque ambos desempenham papéis importantes.

1. O Universo não é estático e imutável, mas sim em expansão ao longo do tempo.
2. As estruturas dentro do Universo não são estáticas e imutáveis, mas sofrem um crescimento gravitacional ao longo do tempo.

Esses dois fatos, cada um por si só, podem alterar o destino de uma partícula de matéria escura que está sob a influência de uma estrutura massiva que ela encontra.

Enquanto a matéria (tanto normal quanto escura) e a radiação se tornam menos densas à medida que o Universo se expande devido ao seu volume crescente, a energia escura é uma forma de energia inerente ao próprio espaço. À medida que um novo espaço é criado no Universo em expansão, a densidade de energia escura permanece constante. Nosso Universo contém inúmeras espécies de matéria e radiação, incluindo matéria normal e matéria escura, e também contém uma dose de energia escura. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

1.) O Universo em expansão . O fato de que o Universo está se expandindo faz uma série de coisas importantes. Reduz a densidade do número de partículas, porque aumenta o volume do Universo, deixando a massa total a mesma. Isso faz com que o comprimento de onda da radiação se desvie para o vermelho, porque a distância entre quaisquer dois pontos arbitrários no Universo – mesmo os dois pontos que definem o que é um comprimento de onda para um fóton individual – se estende ao longo do tempo, alongando seu comprimento de onda e trazendo-o para energias progressivamente mais baixas. .

Bem, partículas massivas, mesmo partículas de matéria escura, também são afetadas pelo Universo em expansão. Eles não são definidos por um comprimento de onda como os fótons, mas têm uma certa energia cinética em um determinado momento. Com o tempo, à medida que o Universo se expande, essa energia cinética diminuirá, diminuindo sua velocidade em relação a qualquer observador próximo à medida que o Universo se expande.

Veja como você pode imaginar isso.

Esta animação simplificada mostra como a luz muda para o vermelho e como as distâncias entre objetos não ligados mudam ao longo do tempo no Universo em expansão. Observe que os objetos começam mais perto do que a quantidade de tempo que a luz leva para viajar entre eles, a luz muda para o vermelho devido à expansão do espaço e as duas galáxias acabam muito mais distantes do que o caminho de viagem da luz feito pelo fóton trocado entre eles. Se fosse uma partícula em vez de um fóton, não mudaria para o vermelho, mas ainda perderia energia cinética. (ROB KNOP)

Imagine que você tem uma partícula se movendo pelo espaço, do ponto A (onde começa) ao ponto B (que é onde terminará). Se o espaço fosse imutável e não se expandisse, e não houvesse gravidade, então qualquer que seja a velocidade que ele começou a ter no ponto A seria a mesma que a velocidade de chegada no ponto B.

Mas o espaço está se expandindo. Quando a partícula sai do ponto A, ela tem uma certa velocidade, onde a velocidade é definida como uma distância ao longo do tempo. À medida que o Universo se expande, a distância entre o ponto A e o ponto B também se expande, o que significa que a distância aumenta ao longo do tempo. A própria partícula, ao longo do tempo, percorre uma porcentagem menor da distância que separa A de B com o passar do tempo. Portanto, a partícula se move em direção a B em um ritmo mais lento perto do final de sua jornada do que perto do início de sua jornada.

Isso se aplica mesmo quando uma partícula de matéria escura se aproxima e cai em uma grande estrutura gravitacional, como uma galáxia ou um aglomerado de galáxias. Desde o momento em que começa a cair em uma estrutura até o momento em que chegaria ao outro lado e estaria pronto para sair novamente, a expansão do Universo diminuiu sua velocidade, o que significa que uma partícula em queda que estava apenas ligeiramente gravitacionalmente desvinculada quando encontrou pela primeira vez uma estrutura pode tornar-se ligeiramente gravitacionalmente limitada devido à expansão do Universo.

O crescimento da teia cósmica e a estrutura em grande escala no Universo, mostrada aqui com a própria expansão em escala, resulta no Universo se tornando mais aglomerado e desagregado com o passar do tempo. Inicialmente, pequenas flutuações de densidade crescerão para formar uma teia cósmica com grandes vazios separando-os, pois estruturas com mais massa do que outras atrairão preferencialmente todas as massas circundantes. (VOLKER SPRINGEL)

2.) Crescimento gravitacional . Este é um efeito ligeiramente diferente, mas não menos importante: estruturas gravitacionalmente ligadas crescem ao longo do tempo, à medida que mais e mais matéria cai nelas. A gravitação é uma força descontrolada no Universo no sentido de que se você começar com um Universo uniforme, onde todos os lugares ao seu redor têm a mesma densidade, exceto por um local que é um pouco mais denso que a média, essa região progressivamente engolirá mais e mais a matéria circundante ao longo do tempo. Quanto mais massa você tiver em uma região, maior será a força gravitacional, tornando mais fácil atrair mais e mais massa com o passar do tempo.

Agora, vamos imaginar que você é uma partícula de matéria escura que cai em uma dessas regiões de crescimento gravitacional. Você entra nessa região com uma velocidade pequena, mas positiva, atraída pela quantidade total de massa dentro dessa região. À medida que você cai em direção ao centro desta região, você acelera com base na quantidade de massa que está lá agora. Mas à medida que você cai, outras massas também caem – algumas das quais são matéria normal e outras são matéria escura – aumentando a densidade e a massa total de onde você está.

A evolução da estrutura em grande escala no Universo, de um estado inicial uniforme ao Universo agrupado que conhecemos hoje. O tipo e a abundância de matéria escura produziriam um Universo muito diferente se alterássemos o que nosso Universo possui. Observe o fato de que a estrutura em pequena escala aparece cedo em todos os casos, enquanto a estrutura em escalas maiores não surge até muito mais tarde, mas as estruturas se tornam mais densas e aglomeradas à medida que o tempo passa em todos os casos. (ANGULO ET AL. (2008); DURHAM UNIVERSITY)

Você alcança o periapsis de sua órbita (a abordagem mais próxima do centro de massa da estrutura em que está dentro) e agora começa a longa jornada de volta. Mas a quantidade de massa que agora está puxando você de volta, que você precisa superar para voltar, cresceu com o tempo. É como se você caísse em um sistema solar com a massa do nosso Sol, mas ao sair, você descobre que está tentando escapar de um sistema solar com uma massa alguns pontos percentuais mais massiva que o nosso Sol. O que significa, em geral, que se você estivesse se movendo devagar o suficiente quando caiu pela primeira vez, não poderá voltar e permanecerá gravitacionalmente preso.

Na realidade, esses dois efeitos estão em jogo e, embora qualquer um deles possa levar a matéria escura a se tornar parte das estruturas de grande escala gravitacionalmente ligadas no Universo, seu efeito combinado é ainda mais significativo. Quando você simula como a estrutura do Universo se forma com esses dois efeitos incluídos, você descobre que não apenas a matéria escura compõe a maior parte da massa nessas estruturas ligadas que surgem, mas que mesmo se você simulasse um Universo que só tinha escuridão matéria – sem nenhuma matéria normal – ainda formaria uma vasta teia cósmica de estrutura.

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. (RALF KÄHLER E TOM ABEL (KIPAC)/OLIVER HAHN)

Se o Universo fosse como Einstein o imaginou originalmente – estático e imutável com o tempo – então as partículas de matéria escura não se tornariam gravitacionalmente ligadas. Qualquer estrutura em que uma partícula de matéria escura caísse veria, um tempo específico depois, aquela partícula de matéria escura escapar mais uma vez: uma situação que se aplicaria igualmente a planetas, sistema solar, galáxias e até aglomerados de galáxias.

Mas porque o Universo se expande, reduzindo a energia cinética das partículas que viajam através dele, e porque as estruturas também crescem gravitacionalmente ao longo do tempo, o que significa que uma partícula que cai tem mais dificuldade em sair novamente, as partículas de matéria escura acabam gravitacionalmente ligadas dentro dessas estruturas. Mesmo que eles não colidam, troquem impulso ou dissipem energia, eles ainda contribuem de maneira significativa para a estrutura em grande escala do Universo. Enquanto apenas a matéria normal colapsa para formar estruturas ultradensas como estrelas e planetas, a matéria escura permanece em grandes halos e filamentos difusos. Quando se trata da estrutura em grande escala do Universo, a presença da matéria escura tem um efeito claro que simplesmente não podemos ignorar.

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Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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