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:
- Geralmente há um excesso de velocidade do tensor termo, que modifica (aumenta) a velocidade de propagação das ondas gravitacionais.
- 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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