Matéria Escura: Doadora da Vida
Crédito da imagem: The Marenostrum Numerical Cosmology Project.
Às vezes, são os ingredientes mais inesperados que dão origem aos melhores resultados no final.
O privilégio de uma vida é ser quem você é. – Joseph Campbell
Quando você olha para além das estrelas da nossa Via Láctea e para as galáxias além, pode surpreendê-lo saber que a maior parte do que vemos não é a maior parte do que está realmente lá. Claro, em nosso Sistema Solar, 99,8% da massa está em nosso Sol, e a astronomia nos ensinou muito sobre como as estrelas funcionam. Então você pode pensar que se você medir toda a luz das estrelas – de todos os diferentes tipos e comprimentos de onda – vindo de cada galáxia individual que observamos, podemos descobrir quanta massa existe lá.
Crédito da imagem: Tony Hallas, via http://www.qsimaging.com/gallery.html .
Por outro lado, sabemos como funcionam as leis da gravitação e como os movimentos de objetos gravitacionalmente ligados dependem totalmente da massa total do sistema e de como essa massa é distribuída. Então podemos olhar tanto para
- galáxias individuais e como as estrelas dentro delas orbitam, e também
- como galáxias inteiras se movem, individualmente, dentro de aglomerados galácticos gigantes.
Quando fazemos todas essas medições, encontramos um fato chocante: a medição da massa da luz e a medição da massa da gravitação estão distantes uma da outra por um fator de 50 .
Crédito da imagem: M. Cappellari e Sloan Digital Sky Survey.
Agora, descobrimos muitos outros tipos de matéria no Universo além do mais estrelas, incluindo:
- remanescentes estelares como anãs brancas, estrelas de nêutrons e buracos negros,
- asteróides, planetas e outros objetos com massas muito baixas (como anãs marrons) para se tornarem estrelas,
- gás neutro tanto dentro das galáxias quanto no espaço entre elas,
- poeira bloqueadora de luz e regiões nebulosas,
- e plasma ionizado, encontrado principalmente no meio intergaláctico.
Todas essas formas de matéria normal – ou matéria originalmente feita das mesmas coisas que somos: prótons, nêutrons e elétrons – de fato contribuem para o que está lá, com gás e plasma em particular, cada um contribuindo mais do que a soma total de todas as estrelas no universo. Mas mesmo somar todos esses componentes só nos leva a cerca de 15 a 17% da quantidade total de matéria que precisamos para explicar a gravitação. Para o resto dos movimentos que vemos, precisamos de uma nova forma de matéria que não seja apenas diferente de prótons, nêutrons e elétrons, mas que não corresponda a nenhuma das partículas conhecidas no Modelo Padrão. Precisamos de algum tipo de matéria escura .
Crédito das imagens: Raio-X: NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Óptico/Lentes: CFHT/UVic./A.Mahdavi et al. (superior esquerdo); Raio-X: NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al.; Óptico: NASA/STScI/UCDavis/W.Dawson et al. (canto superior direito); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/IASF, Milão, Itália)/CFHTLS (canto inferior esquerdo); Raio-X: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Universidade da Califórnia, Santa Bárbara) e S. Allen (Universidade de Stanford) (canto inferior direito). Esses aglomerados de galáxias em colisão mostram uma clara separação entre a matéria normal (em rosa) e os efeitos gravitacionais (em azul).
Um grupo minoritário de cientistas prefere não adicionar alguma fonte invisível de massa, mas sim modificar as leis da gravitação. Todos esses modelos têm dificuldades, incluindo a incapacidade de reproduzir o conjunto completo de observações, incluindo galáxias individuais movendo-se dentro de aglomerados, o fundo cósmico de microondas, colisões de aglomerados de galáxias (acima) da grande teia cósmica ou os padrões observados na estrutura em grande escala de o universo. Mas há uma importante evidência que aponta para a existência de matéria escura que você pode não esperar: nossa própria existência .
Crédito da imagem: Babak Tafreshi/Dreamview.net, via http://twanight.org/newTWAN/photos.asp?ID=3003071 .
Pode surpreendê-lo saber que não precisamos apenas de matéria escura para explicar fenômenos astrofísicos como rotação galáctica, movimentos de aglomerados e colisões, mas para explicar a origem da própria vida!
Para entender o porquê, tudo o que você precisa lembrar é que o Universo começou a partir de um estado quente e denso – o Big Bang quente – onde tudo começou como um mar quase uniforme de partículas individuais, livres e de alta energia. À medida que o Universo se expande e esfria, podemos formar prótons, nêutrons e os núcleos mais leves (hidrogênio, deutério, hélio e uma pequena quantidade de lítio), mas nada mais. Não é até dezenas ou mesmo centenas de milhões de anos depois que a matéria entrará em colapso em regiões densas o suficiente para formar estrelas e o que eventualmente se tornará galáxias.
Tudo isso acontecerá muito bem, embora de maneira diferente em detalhes, independentemente de haver muita matéria escura ou nenhuma. Mas para tornar os elementos necessários para a vida em grande abundância – elementos como carbono, oxigênio, nitrogênio, fósforo e enxofre – eles precisam ser forjados nos núcleos das estrelas mais massivas do Universo. Eles não nos fazem bem lá, no entanto; para permitir a criação de planetas rochosos, moléculas orgânicas e (eventualmente) vida, eles precisam ejetar esses átomos mais pesados de volta ao meio interestelar, onde podem ser reciclados em futuras gerações de estrelas. Para fazer isso, precisamos de uma explosão de supernova.
Crédito da imagem: NASA / JPL-Caltech / O. Krause et al., combinando dados do Hubble (visível), Spitzer (IR) e Chandra (raios-X).
Mas observamos essas explosões em grande detalhe e, em particular, sabemos como rapidamente este material é ejetado das estrelas em sua agonia: da ordem de mil quilômetros por segundo . (O remanescente de supernova Cas A, o mais recente e verificado da nossa galáxia , tem ejeção deixando-o entre 5.000 e 14.500 km/s!) Embora isso possa não parecer aquele um número grande, especialmente em comparação com a velocidade da luz, lembre-se de que nossa própria estrela orbita a Via Láctea a apenas 220 km/s. De fato, se o Sol se movesse até três vezes mais rápido que isso, nos encontraríamos – hoje – escapando muito além da atração gravitacional de nossa galáxia.
Um remanescente de supernova pode ver o mais rápido de seus ejetos deixarem a parte luminosa da galáxia, mas combinada com a intensa atração gravitacional de um difuso, estendido halo de matéria escura, manteremos a maior parte dessa massa dentro de nossa própria galáxia. Com o tempo, ele voltará para as regiões normais ricas em matéria, formará nuvens moleculares neutras e participará de gerações subsequentes de estrelas, planetas e, mais interessante, orgânico combinações moleculares.
Mas sem a gravitação adicional de um halo maciço de matéria escura ao redor de uma galáxia, a enorme quantidade de material ejetado de uma supernova escaparia das galáxias para sempre. Acabaria flutuando livremente no meio intergaláctico, para nunca se incorporar às futuras gerações de sistemas estelares. Em um Universo sem matéria escura, ainda teríamos estrelas e galáxias, mas os únicos planetas seriam mundos gigantes gasosos, sem rochosos, sem água líquida e ingredientes insuficientes para a vida como a conhecemos. Sem as grandes quantidades de elementos pesados fornecidos por gerações de estrelas massivas, a vida baseada em moléculas como a nossa nunca teria existido.
Crédito da imagem: ESO/L. Calçada.
É apenas a presença desses enormes halos de matéria escura, ao redor de nossas galáxias, que permitem que a vida baseada em carbono que se estabeleceu na Terra – ou em um planeta como a Terra – seja uma possibilidade dentro do nosso Universo. À medida que entendemos o que compõe nosso Universo e como ele veio a ser do jeito que é, ficamos com uma conclusão inevitável: a matéria escura é absolutamente necessária para a origem da vida .
Sem ela, a química subjacente a tudo isso – os elementos pesados e complexos, os ingredientes necessários para a biologia em primeiro lugar – nunca poderia ter ocorrido.
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