A fusão de estrelas de nêutrons oferece um golpe mortal às alternativas de matéria escura e energia escura

Nos momentos finais da fusão, duas estrelas de nêutrons não emitem apenas ondas gravitacionais, mas uma explosão catastrófica que ecoa em todo o espectro eletromagnético. A diferença de tempo de chegada entre a luz e as ondas gravitacionais nos permite aprender muito sobre o Universo. Crédito da imagem: Universidade de Warwick / Mark Garlick.

Não acredita em matéria escura ou energia escura? Sua visão do Universo ficou muito mais difícil.


Se você perguntar a um astrofísico qual é o maior quebra-cabeça do Universo hoje, duas das respostas mais comuns que você obterá são matéria escura e energia escura . O material que compõe tudo o que conhecemos aqui na Terra, os átomos, que por sua vez são compostos de outras partículas fundamentais, somam apenas cerca de 5% do orçamento de energia cósmica. Ou 95% da energia do Universo está nessas duas formas, matéria escura e energia escura, que nunca foram detectadas diretamente, ou algo está errado com nossa imagem atual do Universo. Essas alternativas foram exploradas exaustivamente, com muitas opções levando a consequências físicas ligeiramente diferentes. Com a primeira observação da fusão de estrelas de nêutrons e sinais em ondas gravitacionais e luz de todo o espectro eletromagnético chegando, uma enorme quantidade dessas opções acaba de ser descartada. Quando postas à prova, tanto a matéria escura quanto a energia escura sobrevivem.



O aglomerado de galáxias ultramassivo e dinâmico Abell 370, com massa gravitacional (principalmente matéria escura) inferida em azul. Crédito da imagem: NASA, ESA, D. Harvey (Instituto Federal Suíço de Tecnologia), R. Massey (Universidade de Durham, Reino Unido), Equipe Hubble SM4 ERO e ST-ECF.



Existem alguns grandes quebra-cabeças em astrofísica e cosmologia que a matéria escura e a energia escura foram projetadas para resolver. Para a matéria escura, eles se relacionam em grande parte com a forma como as galáxias se formam, giram e se agrupam; para a energia escura, eles são sobre a taxa de expansão do Universo e como ele evolui ao longo do tempo. Se você fizer uma modificação apropriada em sua teoria da gravidade, poderá alterar alguns desses observáveis ​​sem introduzir matéria escura e/ou energia escura. A esperança daqueles que trabalham nessas alternativas é que a modificação certa seja encontrada – uma que também faça novas previsões distintas daquelas da matéria escura/energia escura – e elas possam ser testadas.

A teia cósmica é impulsionada pela matéria escura, com a estrutura de maior escala definida pela taxa de expansão e energia escura. As pequenas estruturas ao longo dos filamentos se formam pelo colapso da matéria normal que interage eletromagneticamente. Crédito da imagem: Ralf Kaehler, Oliver Hahn e Tom Abel (KIPAC).



Mas modificar a gravidade, seja para levar em conta a matéria escura ou a energia escura (muito menos ambas), é um jogo que você deve jogar com muito cuidado. A teoria da Relatividade Geral de Einstein já foi testada com bastante rigor, e suas previsões sempre foram confirmadas. Se você modificar a gravidade, você está alterando essa teoria, então você tem que fazer isso de uma maneira que não afete as observações e medições que já ocorreram. Muitas das opções existentes, portanto, se aventuraram em um regime que não havia sido muito bem testado: um que permitia que a velocidade da gravidade variasse. Na teoria de Einstein, a velocidade da gravidade é igual à velocidade da luz, exatamente e em todos os momentos. Mas em muitas alternativas, essa suposição é ajustada.

Projeção em grande escala através do volume Illustris em z=0, centrado no aglomerado mais massivo, 15 Mpc/h de profundidade. Mostra a densidade da matéria escura (esquerda) em transição para a densidade do gás (direita). A estrutura em grande escala do Universo não pode ser explicada sem matéria escura, embora existam muitas tentativas de gravidade modificada. Crédito da imagem: Colaboração Illustris / Simulação Illustris.

A energia escura é geralmente considerada uma constante cosmológica, onde a velocidade da luz e a velocidade da gravidade também são constantes (e iguais uma à outra). Formulações alternativas em vez disso, adicione algo um pouco mais complexo: um campo escalar ou um conjunto de campos adicionais. Esta é uma característica genérica de modificações em modelos, como a covariante Galileon, gravidade massiva, teorias de Einstein-Aether, TeVeS e gravidade Hořava. Muitos cenários, dependendo de como o campo escalar interage com o campo de gravidade padrão (tensor) da Relatividade Geral, fornecem uma velocidade da gravidade que é diferente da velocidade da luz ou que varia no tempo. Mas o fato de que os raios gama e as ondas gravitacionais do evento de fusão da estrela de nêutrons GW170817 chegaram dentro de 1,7 segundos um do outro significa que a velocidade da gravidade deve ser igual à velocidade da luz para mais de 1 parte em 1015.



Todas as partículas sem massa viajam na velocidade da luz, incluindo o fóton, glúon e ondas gravitacionais, que carregam as interações eletromagnética, nuclear forte e gravitacional, respectivamente. O tempo de chegada quase idêntico de ondas gravitacionais e ondas eletromagnéticas de GW170817 são incrivelmente importantes. Crédito da imagem: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet.

Como resultado, uma enorme quantidade de alternativas à Relatividade Geral padrão com energia escura padrão estão descartados . O fato de uma diferença de tempo de chegada de 1,7s para um sinal de luz e um sinal de onda gravitacional em uma distância de 130 milhões de anos-luz ser tão minúscula significa que a velocidade da gravidade não pode variar com o tempo, nem pode ser sistematicamente maior ou menor que a velocidade da luz. Se você adicionar um campo escalar a uma teoria tensorial da gravidade, obterá dois efeitos genéricos:

  1. Geralmente há um excesso de velocidade do tensor termo, que modifica (aumenta) a velocidade de propagação das ondas gravitacionais.
  2. A escala da massa efetiva de Planck muda ao longo dos tempos cósmicos, o que altera o amortecimento do sinal da onda gravitacional à medida que o Universo se expande.

O fato de que a velocidade da luz e a velocidade da gravidade são iguais a uma precisão tão alta significa que todas as teorias que têm esse tipo de modificação são altamente restritas e que a maioria desses modelos é amplamente descartada.



Muitas modificações da gravidade que tentam acabar com a energia escura foram descartadas como resultado do tempo de chegada das ondas gravitacionais e eletromagnéticas. Crédito da imagem: Jose María Ezquiaga e Miguel Zumalacárregui, 'Dark Energy after GW170817'.

Para a matéria escura, tentativas de modificar a gravidade ficam ainda piores . O que a maioria das modificações fazem genericamente é alterar a lei de força entre objetos massivos, o que altera o potencial gravitacional em regiões do espaço-tempo contendo massa. Quando objetos viajando na velocidade da luz, como fótons ou ondas gravitacionais, passam por esse espaço, esses sinais são atrasados ​​de acordo com as regras da Relatividade Geral: o atraso de tempo de Shapiro. A partir de 130 milhões de anos-luz de distância, a quantidade de matéria interveniente deve atrasar esse sinal em cerca de três anos, se a imagem padrão da matéria escura estiver correta. Mas se você está modificando a gravidade de forma a se livrar da matéria escura, você altera muito as propriedades de propagação das ondas gravitacionais pelo espaço.



Quando a luz, as ondas gravitacionais ou qualquer partícula sem massa passa por uma região do espaço contendo grandes quantidades de matéria, esse espaço fica distorcido e o caminho da luz se curva, causando um atraso no tempo de chegada. Na maioria das teorias de gravidade modificadas, o atraso para ondas de luz e gravitacionais seria diferente. Crédito da imagem: ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al.

As teorias da gravidade modificada sem matéria escura, como as TeVeS de Bekenstein ou as ideias MoG/Scalar-Tensor-Vector de Moffat, têm a propriedade de que as ondas gravitacionais se propagam em diferentes geodésicas - também conhecidas como diferentes caminhos do espaço-tempo - daquelas seguidas por fótons e neutrinos. Em suma, as ondas gravitacionais devem viajar ao longo dos caminhos definidos apenas pela matéria normal, enquanto os fótons e neutrinos devem percorrer os caminhos definidos pela massa efetiva: a matéria normal mais os efeitos que emulam a matéria escura. Isso daria uma diferença nos tempos de chegada entre fótons e ondas gravitacionais em aproximadamente 800 dias, em vez dos 1,7 segundos observados.

Com a correlação cruzada de ondas gravitacionais e sinais eletromagnéticos, esses cenários sem matéria escura estão quebrados .

As várias fontes de massa entre NGC 4993, onde ocorreu a fusão estrela de nêutrons-estrela de nêutrons, e o atraso quantificado que elas causam no tempo de viagem da luz/onda gravitacional. Crédito da imagem: Sibel Boran, Shantanu Desai, Emre Kahya e Richard Woodard, 'GW170817 Falsifies Dark Matter Emulators'.

Quando ondas gravitacionais e fótons (ondas eletromagnéticas) passam pelo espaço, eles são afetados pela curvatura e expansão do espaço exatamente da mesma maneira. Isto é, desde que a Relatividade Geral seja sua teoria da gravidade. Se você modificar sua teoria da gravidade – para tentar eliminar a necessidade de matéria escura e/ou energia escura, por exemplo – então as ondas gravitacionais são afetadas apenas pela parte matéria/massa, enquanto os efeitos da modificação atingem fótons e outras partículas. Como as ondas gravitacionais e os sinais de luz das estrelas de nêutrons em fusão chegaram ao mesmo tempo, elas viajaram com as mesmas velocidades pelo espaço e foram atrasadas nas mesmas quantidades: até 1 parte em um quatrilhão. Esse nível de precisão é suficiente para descartar os principais candidatos a uma teoria da gravidade modificada sem matéria escura.

Os mapas de raios-X (rosa) e de matéria geral (azul) de vários aglomerados de galáxias em colisão mostram uma clara separação entre a matéria normal e os efeitos gravitacionais, algumas das evidências mais fortes da matéria escura. As teorias alternativas agora precisam ser tão elaboradas que sejam consideradas por muitos como bastante ridículas. Crédito da imagem: Raio-X: NASA/CXC/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Suíça/D.Harvey NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey; Mapa Óptico/Lente: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Suíça) e R. Massey (Durham University, Reino Unido).

Ainda existem alguns modelos inventados por aí que podem trazer esperança para a gravidade modificada, como teorias não-locais da gravidade (onde os efeitos gravitacionais e as localizações das massas não coincidem) ou teorias onde as ondas gravitacionais e as ondas eletromagnéticas obedecem a duas conjuntos de regras. Mas mesmo essas ideias são severamente restringidas por nossas novas observações de ondas gravitacionais e são obrigadas a se tornarem mímicas cada vez mais próximas dos efeitos da matéria escura e da energia escura para sobreviver. A gravidade modificada ainda não está morta, mas muitas de suas maiores esperanças acabaram de ser frustradas. Einstein, no entanto, com sua teoria em sua forma original e não modificada, ainda sobrevive.


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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