Pergunte a Ethan: Se a matéria escura está em toda parte, por que não a detectamos em nosso sistema solar?
Um halo aglomerado de matéria escura com densidades variadas e uma estrutura difusa muito grande, como previsto por simulações, com a parte luminosa da galáxia mostrada em escala. Como a matéria escura está em toda parte, também deveria estar em nosso Sistema Solar. Então, por que ainda não vimos? (NASA, ESA e T. Brown e J. Tumlinson (STScI))
É a primeira e mais ingênua pergunta que você pode pensar em fazer. A solução é muito mais complicada do que você imagina.
De acordo com uma grande quantidade de evidências, a esmagadora maioria do Universo é feita de algum tipo misterioso de massa que nunca medimos diretamente. Enquanto prótons, nêutrons e elétrons – e para essa matéria, toda a matéria feita de partículas do Modelo Padrão da física – compõem os planetas, estrelas e galáxias que encontramos em todo o Universo, eles compõem apenas 15% do total do Universo. massa. O resto é feito de algo totalmente diferente: matéria escura fria . Mas se essa matéria escura está em toda parte e é tão abundante, por que não a vimos em nosso Sistema Solar? Essa é a pergunta de Bob Lipp, que quer saber:
Todas as evidências de matéria escura e energia escura parecem estar lá no cosmos. Parece muito suspeito que não vejamos nenhuma evidência disso aqui em nosso próprio sistema solar. Ninguém jamais relatou qualquer anomalia nas órbitas dos planetas. No entanto, tudo isso foi medido com muita precisão. Se o universo estiver 95% escuro, os efeitos devem ser mensuráveis localmente.
Deve ser assim? Este foi um dos primeiros pensamentos que tive quando aprendi sobre a matéria escura, cerca de 17 anos atrás. Vamos investigar e descobrir a verdade.
A teia cósmica da matéria escura e a estrutura em grande escala que ela forma. A matéria normal está presente, mas é apenas 1/6 da matéria total. Os outros 5/6 são matéria escura, e nenhuma quantidade de matéria normal vai se livrar disso. (The Millenium Simulation, V. Springel et al.)
A grande ideia da matéria escura é que, em algum ponto do Universo muito jovem, antes de formarmos galáxias, estrelas ou mesmo átomos neutros, havia um mar quase perfeitamente liso de matéria escura espalhado por ele. Ao longo do tempo, a gravitação e as outras forças funcionam através de uma série de etapas inter-relacionadas:
- toda a matéria, normal e escura, atrai gravitacionalmente,
- as regiões com densidade acima da média crescem, atraindo preferencialmente os dois tipos de matéria,
- a radiação empurra de volta contra a matéria normal, colidindo com ela,
- mas não a matéria escura, pelo menos, não da mesma forma.
Isso cria um padrão muito particular de superdensidades e subdensidades no Universo; um padrão que é revelado quando olhamos para o Fundo de Microondas Cósmica (CMB).
As flutuações no Fundo de Microondas Cósmicas são de magnitude tão pequena e de um padrão tão particular que indicam fortemente que o Universo começou com a mesma temperatura em todos os lugares e contém matéria escura, matéria normal e energia escura em proporções particulares. (ESA e a Colaboração Planck)
O CMB é o brilho remanescente do Big Bang: a radiação que viaja direto para nossos olhos desde o momento em que os átomos neutros se formam de forma estável. O que vemos, hoje, é um instantâneo do Universo à medida que transita de um plasma ionizado para um conjunto de átomos eletricamente neutro: onde esse retrocesso de radiação se torna insignificante. Os pontos frios correspondem a regiões superdensas, pois a radiação precisa gastar energia extra (acima da média) para sair do poço gravitacional em que está; os pontos quentes são regiões igualmente subdensas.
As regiões superdensa, média e subdensa que existiam quando o Universo tinha apenas 380.000 anos agora correspondem a pontos frios, médios e quentes na CMB. (E. Siegel / Além da Galáxia)
O padrão de pontos frios e pontos quentes em todas as escalas que podemos observar, bem como sua correlação, nos diz do que o Universo é feito: 68% de energia escura, 27% de matéria escura e 5% de matéria normal. Com o tempo, então, essas regiões superdensas se transformarão em estrelas, aglomerados de estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias, enquanto as regiões subdensas cederão sua matéria para as regiões mais densas ao seu redor. Embora seja apenas a matéria normal que podemos ver, devido à sua produção e interação com a luz e outras formas de radiação, a matéria escura é a força dominante responsável pelo crescimento gravitacional da estrutura no Universo.
Um olhar detalhado sobre o Universo revela que ele é feito de matéria e não de antimatéria, que a matéria escura e a energia escura são necessárias e que não sabemos a origem de nenhum desses mistérios. No entanto, as flutuações na CMB, a formação e as correlações entre a estrutura em grande escala e as observações modernas de lentes gravitacionais apontam para a mesma imagem. (Chris Blake e Sam Moorfield)
Como a matéria normal também interage consigo mesma, o colapso gravitacional se comporta de maneira diferente para a matéria normal do que para a matéria escura. Quando um aglomerado de matéria normal gravita, ele começa a entrar em colapso. O colapso ocorre primeiro ao longo da dimensão mais curta, mas a matéria normal interage e colide com outras partículas de matéria normal, da mesma forma que suas mãos, embora os átomos sejam principalmente espaços vazios, batem palmas quando você tenta passá-los um pelo outro. Isso cria um disco de matéria, que então gira: esta é a origem de tudo, desde galáxias de disco (espirais) até sistemas solares que têm seus planetas orbitando em um plano. A matéria escura, por outro lado, não colide nem consigo mesma nem com a matéria normal, ou seja, permanece em um halo muito grande e extremamente difuso. Embora haja mais matéria escura do que matéria normal, sua densidade em, digamos, nossa galáxia, é muito menor onde objetos como estrelas são encontrados.
O halo de matéria escura ao redor de nossa galáxia deve exibir diferentes probabilidades de interação à medida que a Terra orbita o Sol, variando nosso movimento através da matéria escura em nossa galáxia. (ESO / L. Calçada)
Então, agora, chegamos à grande questão. E o efeito da matéria escura no Sistema Solar? Uma grande parte do que você provavelmente está pensando é verdade: devemos ter partículas de matéria escura voando pelo espaço em todos os lugares, inclusive em toda a Via Láctea. Isso significa que deve haver matéria escura em nosso Sistema Solar, em nosso Sol, passando por nosso planeta e até em nossos corpos. A grande pergunta que você precisa fazer é esta: comparada às massas do Sol, dos planetas e de outros objetos em nosso Sistema Solar, qual é a massa relevante e interessante devido à matéria escura?
No sistema solar, numa primeira aproximação, o Sol determina as órbitas dos planetas. Para uma segunda aproximação, todas as outras massas (como planetas, luas, asteróides, etc.) desempenham um papel importante. Mas para adicionar matéria escura, teríamos que ficar incrivelmente sensíveis. (Usuário da Wikipédia Dreg743)
Para responder a isso, precisamos primeiro entender o que determina as órbitas dos objetos dentro do nosso Sistema Solar. O Sol é, de longe, a massa dominante no Sistema Solar. Com uma excelente aproximação, determina as órbitas dos planetas. Mas para Vênus, o planeta Mercúrio é interior a ele; para uma primeira aproximação, a órbita de Vênus é determinada pelas massas combinadas do Sol mais Mercúrio. Para Júpiter, sua órbita é determinada pelo Sol mais os planetas rochosos internos e o cinturão de asteróides. E para qualquer objeto em órbita em geral, sua órbita é determinada pela massa total envolvida por uma esfera imaginária centrada no Sol, com esse objeto na borda da esfera.
Na Relatividade Geral, se você tiver uma distribuição uniforme de matéria escura (ou qualquer forma de massa) uniformemente pelo espaço, é apenas a massa contida pelo sistema específico que você está orbitando que afeta seu movimento; a massa uniforme do lado de fora não desempenha nenhum papel. (Mark Whittle da Universidade da Virgínia)
Se houver um mar de matéria escura que permeia o espaço onde estamos – em todo o Sistema Solar – os planetas externos devem ter uma massa ligeiramente diferente (maior) do que os planetas internos. E se houver matéria escura suficiente, deve ser detectável. Como conhecemos a massa da Via Láctea, as densidades relativas da matéria normal e escura, e temos simulações que nos dizem como a densidade da matéria escura deve se comportar, podemos chegar a algumas estimativas muito boas. Quando você faz esses cálculos, descobre que cerca de 10¹³ kg de matéria escura devem ser sentidos pela órbita da Terra, enquanto cerca de 10¹⁷ kg seriam sentidos por um planeta como Netuno.
Mas esses valores são minúsculos em comparação com as outras massas de consequência! O Sol tem uma massa de 2 × 10³⁰ kg, enquanto a Terra é mais parecida com 6 × 10²⁴ kg. Valores como o que encontramos, na faixa de 10¹³ - 10¹⁷ kg, são a massa de um único asteroide modesto. Algum dia, podemos entender o Sistema Solar bem o suficiente para que essas pequenas diferenças sejam detectáveis, mas estamos um bom fator de 100.000+ longe disso agora mesmo.
Nossa galáxia está embutida em um enorme halo difuso de matéria escura, indicando que deve haver matéria escura fluindo através do sistema solar. Mas não é muito, em termos de densidade, e isso torna extremamente difícil detectar localmente. (Robert Caldwell & Marc Kamionkowski Nature 458, 587–589 (2009))
Em outras palavras, a matéria escura deve estar presente no Sistema Solar e deve afetar desproporcionalmente o movimento dos planetas externos em relação aos internos, com base na quantidade de massa envolvida por uma esfera centrada no Sol no raio do planeta. Você pode se perguntar, com base no arranjo do Sistema Solar, se as interações de muitos corpos entre a matéria escura, um planeta e o Sol poderiam fazer com que a matéria escura adicional fosse capturada pelo Sistema Solar. Este foi um problema divertido, e foi o tema de um artigo que co-escrevi há cerca de 10 anos . O que descobrimos foi que a densidade da matéria escura pode ser bastante aumentada, mas apenas se você não considerar que o que é capturado provavelmente será reejetado muito rapidamente novamente. Mesmo assim, o valor máximo possível hoje, após 4,5 bilhões de anos (em roxo), ainda está abaixo da melhor restrição observacional.
A quantidade de matéria escura galáctica encerrada por planetas em vários raios em nosso sistema solar (azul), juntamente com a quantidade total de matéria escura que se espera que seja capturada (roxa) durante a vida útil do sistema solar, ignorando ejeções e a melhor restrição , de um estudo de 2013, sobre a quantidade máxima de matéria escura que poderia estar presente. Ainda não atingimos o regime testável. (X. Xu e E.R. Siegel, via http://arxiv.org/pdf/0806.3767v1.pdf)
Nós temos matéria escura em nosso Sistema Solar, e ela deveria ter efeitos reais em todas as outras partículas de matéria ao seu redor. Se houver alguma seção transversal de interação entre partículas de matéria normal e partículas de matéria escura, os experimentos de detecção direta devem ter a chance de descobri-la aqui na Terra. E mesmo que não haja, os efeitos gravitacionais da matéria escura que passa pelo Sistema Solar, tanto gravitacionalmente capturada quanto gravitacionalmente livre, devem afetar as órbitas dos planetas. Mas até que nossas medições se tornem cada vez mais precisas, simplesmente não há efeito gravitacional suficiente para resultar em algo detectável. Enquanto isso, temos que olhar para o Universo além, não para o nosso próprio Sistema Solar, para ver os efeitos da matéria escura no espaço-tempo.
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Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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