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Feliz aniversário para Vera Rubin: a mãe do nosso universo de matéria escura

Vera Rubin é mostrada aqui em 1974, analisando dados de diferentes partes de uma galáxia para determinar suas propriedades rotacionais. A descoberta de que os efeitos da gravidade não traçaram o mesmo caminho que a luz das estrelas traça foi uma das descobertas mais importantes do século 20, e trouxe a matéria escura para o mainstream da ciência das margens, onde havia definhado durante a maior parte do tempo. o século 20. Seu trabalho mudou nossa concepção do Universo para sempre. (CARNEGIE INSTITUTION FOR SCIENCE / ASSOCIATED PRESS)

Nosso Universo não pode ser descrito apenas pela matéria normal. O trabalho de Vera Rubin abriu o caminho.

Pergunte a um astrofísico do que é feito o nosso Universo e você provavelmente receberá uma surpresa chocante. Enquanto tudo o que conhecemos e interagimos na Terra é feito dos mesmos ingredientes normais – os prótons, nêutrons e elétrons que compõem os átomos e o resto da matéria normal que conhecemos – o Universo conta uma história muito diferente. A matéria normal é apenas 5% do Universo, com matéria escura (27%) e energia escura (68%) compondo a grande maioria do que está lá fora.

Isso não é um preconceito ou uma para isso correção que foi colocada em prática, mas uma conclusão científica que foi alcançada com base no conjunto completo de dados que coletamos sobre o Universo. Se desafia sua intuição, não se preocupe; você não está sozinho. Mas a ciência que nos levou a essa conclusão é irrefutável e foi pioneira por um dos cientistas mais merecedores nunca ganhar um Prêmio Nobel : Vera Rubin . Aqui está a história que todos deveriam saber.

As duas galáxias grandes e brilhantes no centro do Aglomerado Coma, NGC 4889 (esquerda) e a ligeiramente menor NGC 4874 (direita), cada uma excede um milhão de anos-luz de tamanho. Mas as galáxias nos arredores, girando tão rapidamente, apontam para a existência de um grande halo de matéria escura em todo o aglomerado. A massa da matéria normal por si só é insuficiente para explicar essa estrutura ligada. (BLOCO DE ADAM/MONTE LEMMON SKYCENTER/UNIVERSIDADE DO ARIZONA)

Vera Rubin nasceu em 23 de julho de 1928: faz hoje 91 anos. A ideia original da matéria escura surgiu quando ela ainda não tinha completado cinco anos. Em 1933, Fritz Zwicky estava estudando as galáxias do Aglomerado Coma: o maior, mais rico e mais massivo aglomerado de galáxias a cerca de 500 milhões de anos-luz da Terra. Existem milhares de galáxias dentro do Aglomerado Coma, com duas galáxias elípticas gigantes que ancoram no centro.

Zwicky tomou nota de duas medições importantes que foram feitas das galáxias dentro desse aglomerado.

1. Quanta luz vinha dessas galáxias, o que lhe permitiu estimar quanta massa havia nas estrelas dessas galáxias.
2. A rapidez com que essas galáxias estavam se movendo em relação ao centro do aglomerado, o que lhe permitiu inferir quanta massa total estava presente em todo o aglomerado.

Se 100% da massa estivesse na forma de estrelas, esses dois números seriam iguais.

As velocidades das galáxias no aglomerado Coma, a partir das quais a massa total do aglomerado pode ser inferida para mantê-lo gravitacionalmente ligado. Observe que esses dados, obtidos mais de 50 anos após as alegações iniciais de Zwicky, combinam quase perfeitamente com o que o próprio Zwicky sustentou em 1933. (G. GAVAZZI, (1987). ASTROPHYSICAL JOURNAL, 320, 96)

Mas, como observou Zwicky, não apenas eles não combinavam, mas também não estavam nem perto. De acordo com o trabalho original de 1933 de Zwicky , esses dois números diferiram por um fator colossal de ~ 160, com a massa total excedendo a massa inferida da luz das estrelas por essa enorme quantidade. Zwicky deu um passo além dessa análise e propôs que deve haver uma nova forma de matéria que não emite ou absorve luz para explicar essa discrepância: matéria escura , ou matéria escura.

Dizer que ninguém levou a sério o trabalho de Zwicky é um eufemismo grosseiro: seu trabalho não foi sequer citado por outro cientista até que 27 anos se passaram . Embora sua hipótese da matéria escura não fosse a única explicação possível, certamente merecia consideração. Mas, devido a preconceitos e limitações astronômicas/astrofísicas da época, a ideia de matéria escura simplesmente não pegou.

O coração da nebulosa Ômega é destacado por gás ionizado, estrelas brilhantes novas, azuis e massivas e faixas de poeira em primeiro plano que bloqueiam a luz de fundo. Se a matéria normal pudesse assumir a forma de gás, poeira, plasma, buracos negros ou outras fontes não luminosas, talvez ela pudesse ser responsável por toda a “massa perdida” sem a necessidade de matéria escura? Pelo menos, esse era o pensamento dominante quando Fritz Zwicky publicou seu trabalho pela primeira vez. (PESQUISA DE TI / VST)

Havia algumas objeções excelentes que se poderia fazer ao trabalho de Zwicky. Por um lado, ele assumiu que todas as estrelas, em média, eram semelhantes ao nosso Sol, e que a razão massa-luz do Sol era uma boa estimativa da razão massa-luz de todas as estrelas. Não é, no entanto; a média de todas as estrelas dá uma proporção que é aproximadamente três vezes maior. Em vez de uma discrepância de 160 para 1, isso tornaria uma incompatibilidade de 50 para 1.

Outra objeção é que nem toda a nossa matéria normal está na forma de estrelas. Além dos planetas, também existem nuvens de gás, plasmas, poeira, buracos negros, estrelas falidas e muitos outros tipos de matéria. Quem pode dizer que a matéria normal não luminosa não poderia responder por 98% do que está lá fora? Embora possamos ter esse valor bem quantificado hoje (cerca de 13 a 17%), um Universo 100% cheio de matéria normal não foi descartado em 1933.

Uma galáxia governada apenas por matéria normal (L) exibiria velocidades de rotação muito mais baixas nos arredores do que em direção ao centro, semelhante à forma como os planetas do Sistema Solar se movem. No entanto, as observações indicam que as velocidades de rotação são amplamente independentes do raio (R) do centro galáctico, levando à inferência de que uma grande quantidade de matéria invisível ou escura deve estar presente. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS INGO BERG/FORBES/E. SIEGEL)

Na década de 1960, no entanto, os equipamentos e técnicas astronômicas melhoraram o suficiente para que os cientistas pudessem começar a medir a rapidez com que as galáxias individuais estavam girando. Quando o fizeram, notaram algo importante: a quantidade de massa que você inferiria para galáxias individuais não poderia explicar os movimentos de galáxias individuais dentro de um grande aglomerado como Coma.

Isso não foi suficiente para trazer a ideia de matéria escura para o mainstream, mas foi o suficiente para sugerir um teste diferente: medir os movimentos rotacionais de diferentes partes de uma galáxia individual. Galáxias espirais – como a nossa – tendem a ter uma protuberância central grande e brilhante e ficam mais fracas à medida que você se afasta do centro. Com a maior parte da massa concentrada perto do centro, você esperaria que as regiões externas girassem mais lentamente do que as internas.

A galáxia mais brilhante e mais próxima confirmada como estando além do grupo local é a NGC 300, a apenas 6 milhões de anos-luz de distância. As regiões rosas encontradas ao longo dos braços espirais são evidências da formação de novas estrelas, desencadeadas pela interação do gás interno e as ondas de densidade da estrutura interna. De acordo com a forma como a luz é distribuída nesta galáxia (concentrada no centro), temos todas as razões para esperar que as estrelas desta galáxia tenham movimentos internos mais rápidos nas regiões centrais e movimentos mais lentos nas regiões externas. No entanto, esta é uma suposição que deve ser testada observacionalmente. (ESO / WIDE FIELD IMAGER (WFI))

Vemos isso em nosso próprio Sistema Solar. Nosso Sol representa 99,8% da massa do nosso Sistema Solar, o que significa que é quase exclusivamente responsável por determinar a órbita de todos os planetas, asteróides, cometas e objetos do cinturão de Kuiper que conhecemos. Mercúrio, o planeta mais interno, experimenta a força gravitacional mais forte e orbita o Sol com uma velocidade média de 48 km/s: mais de 100.000 milhas por hora.

A Terra, por outro lado, é quase três vezes mais distante que Mercúrio e orbita com uma velocidade média muito menor: 30 km/s, ou cerca de 67.000 milhas por hora. A velocidade dos planetas continua a diminuir à medida que você se move para fora, com Netuno, o planeta mais lento e mais externo, orbitando a uma velocidade média de apenas 5,4 km/s: apenas 12.000 milhas por hora.

Existem quatro exoplanetas conhecidos orbitando a estrela HR 8799, todos mais massivos que o planeta Júpiter. Esses planetas foram todos detectados por imagens diretas obtidas durante um período de sete anos, com os períodos desses mundos variando de décadas a séculos. Como em nosso Sistema Solar, os planetas internos giram em torno de sua estrela mais rapidamente, e os planetas externos giram mais lentamente, conforme previsto pela lei da gravidade. (JASON WANG/CHRISTIAN MAROIS)

Se as galáxias funcionassem de forma semelhante, você esperaria encontrar uma relação análoga com o nosso Sistema Solar medindo seus movimentos internos. Os únicos fatores que determinam a velocidade orbital de um objeto ligado são quanta massa é interior à órbita e quão grande é a órbita. No Sistema Solar, as velocidades dos planetas nos permitem determinar a massa do Sol (porque sabemos G , a constante gravitacional) e concluímos que o Sol contém 99,8% da massa do Sistema Solar.

Em uma galáxia, deve haver muitas massas contribuindo por toda parte, mas observar como a luz é distribuída deve dizer algo sobre como a massa é distribuída. Isso deve afetar as velocidades de rotação em diferentes distâncias do centro galáctico. Este foi o problema que Vera Rubin começou a investigar.

A Via Láctea, vista no observatório de La Silla, é uma visão impressionante e inspiradora para qualquer um, e uma visão espetacular de muitas estrelas em nossa galáxia. Se você quiser medir os arredores da galáxia, você precisa ver as estrelas nas porções externas da Via Láctea: longe do centro galáctico. Essas observações são desafiadoras e, embora as primeiras conclusões de Rubin fossem válidas, elas não foram amplamente aceitas. Mas isso mudou com dados superiores. (ESO / HÅKON DAHLE)

Dentro sua pesquisa inicial para este fim , ela começou a medir estrelas dentro da nossa Via Láctea, tentando determinar a rapidez com que orbitavam em relação ao centro galáctico. Estando preso dentro de nossa própria galáxia, esta é uma observação desafiadora de se fazer! O disco externo da Via Láctea é mais facilmente visível se você olhar oposta à direção do centro galáctico, e essa é exatamente a direção errada para medir um movimento na linha de visão, pois as estrelas devem estar girando em torno do centro galáctico transversal à nossa perspectiva.

Não é surpresa, então, que suas conclusões – que a parte externa da galáxia tinha as mesmas velocidades de rotação, em vez de uma menor, em comparação com as regiões internas da Via Láctea – foram amplamente descartadas. Mas a opinião das massas de astrônomos não a dissuadiria. Armado com um espectrógrafo novinho em folha, Vera Rubin, junto com Kent Ford, procurou medir exatamente como as galáxias giravam.

Vera Rubin, mostrada operando o telescópio de 2,1 metros no Observatório Nacional Kitt Peak com o espectrógrafo de Kent Ford anexado. Observações feitas das curvas de rotação das galáxias, começando com Andrômeda (M31) no final da década de 1960, e continuando até a década de 1970, levaram à conclusão de que a matéria normal sozinha, sob as leis da gravidade que conhecemos, não pode explicar o Universo como vemos isto. (NOAO/AURA/NSF)

A primeira galáxia que eles miraram, caminho de volta em 1968 , foi Andrômeda. Andrômeda é a grande galáxia mais próxima da nossa Via Láctea, ocupando impressionantes três graus no céu (aproximadamente o diâmetro de seis luas cheias). Na década de 1880, foi tirada a primeira fotografia de longa exposição de Andrômeda, revelando sua estrutura espiral. Sendo quase de borda para nós, isso significa que um lado deve parecer estar girando em nossa direção, enquanto o outro lado deve parecer estar girando para longe de nossa linha de visão.

E eis que Andrômeda indicou o mesmo efeito intrigante que sua pesquisa anterior sobre a Via Láctea mostrou: que as regiões externas de uma galáxia giravam tão rapidamente quanto as regiões internas. Ao longo da década de 1970, Rubin continuou seu trabalho e o estendeu a muitas galáxias em várias distâncias. Todos eles exibiram o mesmo efeito: suas curvas de rotação não seguiram a relação ingênua que esperávamos entre massa e luz.

As curvas observadas (pontos pretos) juntamente com a matéria normal total (curva azul) e vários componentes de estrelas e gás que contribuem para as curvas de rotação das galáxias. Observe como a matéria normal, sozinha, não pode explicar os movimentos internos observados nas galáxias. Os resultados de Rubin levaram não apenas à aceitação geral da matéria escura, mas a uma revolução na cosmologia e em nossa concepção do Universo como resultado. (A RELAÇÃO DE ACELERAÇÃO RADIAL EM GALÁXIAS SUPORTADAS ROTATIVAMENTE, STACY MCGAUGH, FEDERICO LELLI E JIM SCHOMBERT, 2016)

Esta não era a prova definitiva da matéria escura que você esperava, pois havia muitas explicações possíveis apenas para as observações de Rubin. Logo depois, porém, surgiram outras linhas independentes de evidência, apoiando uma imagem unificada da cosmologia. A Nucleossíntese do Big Bang demonstrou que apenas 5% do universo total poderia ser explicado pela matéria normal; lentes gravitacionais e formação de estruturas em grande escala indicaram que 25-30% do Universo era alguma forma de matéria em geral.

O Fundo de Microondas Cósmica revelou que a razão entre a matéria normal e a matéria escura é de 1 para 5, e isso foi confirmado pela detecção de oscilações acústicas bariônicas, que chegam ao mesmo valor. Zwicky, logo após a publicação da pesquisa de Rubin, de repente se viu no mainstream: ele foi premiado com a Medalha de Ouro pela Royal Astronomical Society .

Hoje, a crença de que a matéria escura impulsiona principalmente a formação da estrutura cósmica é quase universal, com a matéria normal dentro formando estrelas e outros objetos ricos e colapsados.

De acordo com modelos e simulações, todas as galáxias deveriam estar embutidas em halos de matéria escura, cujas densidades atingem os centros galácticos. Em escalas de tempo suficientemente longas, de talvez um bilhão de anos, uma única partícula de matéria escura dos arredores do halo completará uma órbita. Os efeitos do gás, feedback, formação de estrelas, supernovas e radiação complicam esse ambiente, tornando extremamente difícil extrair previsões universais de matéria escura. (NASA, ESA E T. BROWN E J. TUMLINSON (STSCI))

A matéria escura deve conduzir a formação da estrutura em todas as grandes escalas, com cada galáxia consistindo em um halo grande e difuso de matéria escura que é muito menos denso e mais difuso do que a matéria normal. Enquanto a matéria normal se aglomera e se aglomera, uma vez que pode se unir e interagir, a matéria escura simplesmente passa por si mesma e pela matéria normal. Sem matéria escura, o Universo não corresponderia às nossas observações.

Mas esse ramo da ciência realmente começou com o trabalho revolucionário de Vera Rubin. Enquanto muitos, inclusive eu, ridicularizará o comitê do Nobel por desprezar sua ciência revolucionária , ela realmente mudou o universo . No que teria sido seu aniversário de 91 anos, lembre-se dela em suas próprias palavras:

Não deixe ninguém te derrubar por motivos bobos, como quem você é, e não se preocupe com prêmios e fama. O verdadeiro prêmio é encontrar algo novo por aí.

50 anos depois, ainda estamos investigando o mistério que Vera Rubin descobriu. Que haja sempre mais a aprender.

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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