• Começa Com Um Estrondo

O único grande problema com todas as alternativas à matéria escura e à energia escura

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)

Pode não parecer assim, mas um universo 95% sombrio é realmente o melhor jogo da cidade.

Não importa o quanto tentemos escondê-lo, há um enorme problema nos encarando quando se trata do Universo. Se entendêssemos apenas três coisas:

1. as leis que regem o Universo,
2. os componentes que compõem o Universo,
3. e as condições com as quais o Universo começou,

seríamos capazes de fazer a coisa mais notável de todas. Poderíamos escrever um sistema de equações que, com um computador poderoso o suficiente à nossa disposição, descreveria como o Universo evoluiu ao longo do tempo para se transformar dessas condições iniciais no Universo que vemos hoje.

Cada evento que ocorreu em nossa história cósmica – até os limites do caos clássico e do indeterminismo quântico – poderia ser conhecido e descrito em grande detalhe, desde as interações individuais entre partículas quânticas até as maiores escalas cósmicas de todas. O problema que enfrentamos, quando tentamos fazer exatamente isso, é que, apesar de tudo o que sabemos sobre o Universo, o que prevemos e o que observamos não combinam, a menos que adicionemos pelo menos dois ingredientes misteriosos: algum tipo de matéria escura e algum tipo de energia escura. É um quebra-cabeça notável para resolver, e algo com o qual todo astrofísico precisa lidar. Enquanto muitos adoram apresentar alternativas, todas são ainda piores do que a solução insatisfatória de matéria escura e energia. Aqui está a ciência do porquê.

Um anel quase perfeito do efeito de lente gravitacional da massa do primeiro plano. Esses anéis de Einstein, antes apenas uma previsão teórica, agora foram vistos em muitos sistemas de lentes diferentes, em vários graus de perfeição. Esta forma de ferradura é comum quando o alinhamento é quase perfeito, mas não exatamente. (ESA/HUBLE & NASA)

Há uma série de medições que podemos fazer que ajudaram a revelar a natureza do Universo. Medimos as órbitas dos planetas e a deflexão da luz devido à presença de massa, o que mostrou que a Relatividade Geral de Einstein e não as leis da gravitação universal de Newton descreve melhor nossa realidade. Descobrimos o comportamento de partículas subatômicas, antipartículas e fótons, revelando as forças e campos quânticos que governam nosso Universo. Se quisermos simular como o Universo evoluiu ao longo do tempo, temos que pegar as leis conhecidas e comprovadamente corretas nas escalas que testamos e aplicá-las ao cosmos como um todo.

Também conseguimos medir toda uma série de propriedades sobre todos os objetos que podemos observar em todo o Universo. Aprendemos como as estrelas brilham e emitem luz, e podemos dizer muito sobre uma estrela – quão massiva, quente, luminosa, antiga, rica em elementos pesados, etc. – apenas observando sua luz da maneira correta. Além disso, muitas outras formas de matéria, como planetas, cadáveres estelares, estrelas falidas, gás, poeira, plasma e até buracos negros foram identificados.

Esta imagem da galáxia NGC 1275, tirada pelo Hubble, mostra a brilhante e ativa galáxia emissora de raios-X no centro do aglomerado de Perseu. Filamentos ionizados de gás, um núcleo central e uma estrutura complexa podem ser vistos, e podemos inferir a presença de um buraco negro de ~bilhões de massa solar no centro. Há muita matéria normal aqui, mas algo mais do que apenas matéria normal também. (NASA, ESA, HUBBLE HERITAGE (STSCI/AURA))

Estamos a caminho de realizar uma espécie de censo cósmico, onde podemos somar toda a matéria e energia do Universo e o que o compõe. Além da matéria, identificamos antimatéria em pequenas quantidades. Não há estrelas ou galáxias lá fora, dentro do nosso Universo visível, feito de antimatéria em vez de matéria normal, mas há jatos de antimatéria saindo de motores naturais de alta energia como buracos negros e estrelas de nêutrons. Há também neutrinos acelerando pelo Universo, minúsculos em massa, mas enormes em número, gerados durante o Big Bang quente e também a partir de processos nucleares em estrelas e cataclismos estelares.

O problema, claro, é que quando pegamos todos os ingredientes que medimos diretamente, aplicamos as equações que governam o Universo ao cosmos como um todo e tentamos juntar tudo, não dá certo. As leis que conhecemos e os ingredientes que descobrimos diretamente, quando combinados, não podem explicar o Universo como o vemos. Em particular, existem algumas observações que parecem ser mutuamente exclusivas se quisermos examinar a hipótese nula: o que vemos e o que sabemos é tudo o que existe.

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)

Você já ouviu falar sobre a matéria escura antes, e a razão pela qual você provavelmente ouviu que precisamos dela é que não há matéria normal suficiente para explicar todos os efeitos da gravidade que vemos. A pergunta mais comum que os astrofísicos fazem sobre isso é, bem, e se houver mais matéria normal por aí do que os tipos de matéria que somos bons em detectar? E se a “matéria escura” for apenas mais matéria normal que por acaso é escura?

O problema com essa ideia é que sabemos – a partir de observações que já temos – quanta matéria normal no total existe dentro do Universo visível. O Universo era mais quente e mais denso no passado, e quando as coisas eram quentes e densas o suficiente, apenas prótons e nêutrons livres podiam existir. Se eles tentassem se unir em qualquer combinação de núcleos mais pesados, o Universo era tão energético que eles seriam imediatamente destruídos. Os elementos mais leves que existem:

• hidrogênio (1 próton),
• deutério (1 próton e 1 nêutron),
• hélio-3 (2 prótons e 1 nêutron),
• hélio-4 (2 prótons e 2 nêutrons),
• e lítio-7 (3 prótons e 4 nêutrons)

foram todos criados nos primeiros 3-4 minutos do Universo, formando-se apenas depois que o Universo esfria o suficiente para que não sejam destruídos instantaneamente.

Fontes distantes de luz – de galáxias, quasares e até mesmo do fundo cósmico de micro-ondas – devem passar por nuvens de gás. As características de absorção que vemos nos permitem medir muitas características sobre as nuvens de gás intervenientes, incluindo a abundância de elementos leves no interior. (ED JANSSEN, ESO)

O que é notável é que, como as leis da física que governam as partículas (e a fusão nuclear) são tão bem compreendidas, podemos calcular exatamente – assumindo que o Universo já foi mais quente, mais denso, expandido e resfriado a partir desse estado – quais as diferentes proporções desses diferentes elementos leves deveria ser. Nós até estudou as reações no laboratório diretamente , e as coisas se comportam precisamente como nossa teoria prevê. O único fator que variamos é a razão fóton-bário, que nos diz quantos fótons cósmicos (partículas de luz) existem para cada próton ou nêutron (os bárions) em nosso Universo.

Agora medimos tudo. Satélites como COBE, WMAP e Planck mediram quantos fótons existem no Universo: 411 por centímetro cúbico de espaço. Nuvens de gás intermediárias que aparecem entre nós e uma fonte de luz distante, como uma galáxia luminosa ou quasar, absorverão uma fração da luz enquanto viaja pelo Universo, ensinando-nos diretamente a abundância desses elementos e isótopos. Quando somamos tudo, apenas ~ 5% da energia total do Universo pode ser matéria normal: nem mais nem menos.

As abundâncias previstas de hélio-4, deutério, hélio-3 e lítio-7 conforme previsto pela Nucleossíntese do Big Bang, com observações mostradas nos círculos vermelhos. Isso corresponde a um Universo onde ~4-5% da densidade crítica está na forma de matéria normal. Com outros ~ 25-28% na forma de matéria escura, apenas cerca de 15% da matéria total no Universo pode ser normal, com 85% na forma de matéria escura. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Existem todos os tipos de observações, além das mencionadas aqui, que temos que explicar. Uma lei universal da natureza não é boa se funcionar apenas sob certas condições selecionadas; você precisa ser capaz de explicar uma ampla variedade de fenômenos cósmicos se quiser que sua cosmologia proposta seja levada a sério. Você tem que explicar:

• a teia cósmica de estrutura que vemos em nosso Universo e como ela se formou,
• os tamanhos, massas e estabilidade de galáxias individuais,
• as velocidades das galáxias zunindo dentro de aglomerados de galáxias,
• as flutuações de temperatura impressas na radiação cósmica de fundo em micro-ondas: o brilho remanescente do Big Bang,
• as lentes gravitacionais observadas em torno de aglomerados de galáxias, tanto em isolamento quanto em processo de colisão,
• e como a taxa de expansão do Universo muda ao longo do tempo da maneira exata que observamos.

Existem muitas outras observações que podemos incluir nesta seleção, mas estas foram escolhidas por uma razão específica: em um Universo feito apenas de matéria normal, radiação e neutrinos em suas quantidades observadas, não podemos explicar nenhuma dessas observações. Para explicar o Universo que vemos, é necessário algo adicional.

Quatro aglomerados de galáxias em colisão, mostrando a separação entre os raios X (rosa) e a gravitação (azul), indicativo de matéria escura. Em grandes escalas, a matéria escura fria é necessária, e nenhuma alternativa ou substituto servirá. No entanto, mapear o gás quente que cria a luz de raios-X (rosa) não é necessariamente uma indicação muito boa de onde está a massa total, como indica a distribuição da matéria escura (azul). (RAIO-X: NASA/CXC/UVIC./A.MAHDAVI ET AL. ÓPTICO/LENSING: CFHT/UVIC./A. MAHDAVI ET AL. (CIMA ESQUERDA); RAIO-X: NASA/CXC/UCDAVIS/W. DAWSON ET AL.; ÓPTICO: NASA/ STSCI/UCDAVIS/ W.DAWSON ET AL. (TOP DIREITO); ESA/XMM-NEWTON/F. GASTALDELLO (INAF/ IASF, MILÃO, ITÁLIA)/CFHTLS (BAIXO ESQUERDO); X -RAY: NASA, ESA, CXC, M. BRADAC (UNIVERSIDADE DA CALIFÓRNIA, SANTA BARBARA), E S. ALLEN (UNIVERSIDADE DE STANFORD) (CAIXA DIREITA))

Em princípio, você poderia imaginar que apenas um novo ajuste poderia explicar tudo. Que talvez, se fôssemos espertos o suficiente, pudéssemos adicionar um novo ingrediente ou fazer uma modificação em nossas regras que explicasse todas essas observações juntas. Essa foi a ideia original por trás da matéria escura, como foi proposta pela primeira vez na década de 1930 por Fritz Zwicky. Ele foi o primeiro a medir as velocidades das galáxias que circulam dentro de aglomerados de galáxias e descobriu que precisava haver cerca de 100 vezes mais massa do que as estrelas poderiam representar. Ele levantou a hipótese de um novo ingrediente – matéria escura – que poderia explicar tudo isso.

Sabemos que a matéria escura, a partir de observações e experimentos, não pode ser feita de nenhuma das partículas conhecidas que existem dentro do Modelo Padrão da física. Aprendemos que a matéria escura não poderia ter sido quente ou em movimento rápido, mesmo no início; ou precisa ser bastante massivo ou precisa ter nascido sem muita energia cinética. Aprendemos que não pode interagir através da força forte, eletromagnética ou fraca de forma apreciável. E aprendemos que, se adicionarmos esse ingrediente de matéria escura fria ao Universo, quase todas as observações se encaixam.

Este trecho de uma simulação de formação de estrutura, com a expansão do Universo em escala, representa bilhões de anos de crescimento gravitacional em um Universo rico em matéria escura. Observe que filamentos e aglomerados ricos, que se formam na interseção dos filamentos, surgem principalmente devido à matéria escura; a matéria normal desempenha apenas um papel menor. (RALF KÄHLER E TOM ABEL (KIPAC)/OLIVER HAHN)

Apenas com a matéria escura, podemos explicar muitas das observações que não podemos explicar sem ela. Obtemos uma teia cósmica; temos aglomerados de estrelas que se fundem em pequenas galáxias que crescem em grandes galáxias e eventualmente aglomerados de galáxias; temos galáxias em movimento rápido dentro desses aglomerados; temos uma separação entre o gás quente e os efeitos da gravidade quando aglomerados de galáxias colidem; temos galáxias que giram tão rapidamente por fora quanto por dentro; obtemos lentes gravitacionais significativas, consistentes com as observações; temos flutuações de temperatura que concordam com o fundo cósmico de micro-ondas e que explicam a probabilidade de encontrar uma galáxia a uma distância específica de qualquer outra galáxia.

Mas não entendemos tudo. A matéria escura é a única coisa extra que podemos adicionar – e acaba sendo um ingrediente em vez de uma modificação – para resolver o maior número desses problemas de uma só vez, mas não nos dá tudo. Não resolve o problema (maior) da taxa de expansão e não explica o enigma (menor) de por que, apesar de superar a matéria normal em uma proporção de 5 para 1, o Universo é espacialmente plano. De alguma forma, um total de 2/3 da energia total do Universo não é contabilizado.

Os diferentes destinos possíveis do Universo, com nosso destino real e acelerado mostrado à direita. Depois de um tempo suficiente, a aceleração deixará todas as estruturas galácticas ou supergalácticas ligadas completamente isoladas no Universo, à medida que todas as outras estruturas aceleram irrevogavelmente. Só podemos olhar para o passado para inferir a presença e as propriedades da energia escura, que requerem pelo menos uma constante, mas suas implicações são maiores para o futuro. (NASA e ESA)

A energia escura, é claro, é o segundo ingrediente adicional que podemos adicionar para explicar o restante das observações. Funciona como uma forma de energia inerente ao próprio espaço, só se tornando importante quando o Universo se expandiu para se tornar suficientemente diluído e difuso. Compõe a maior parte da energia do Universo hoje, depois de não ter importância nos primeiros ~ 7+ bilhões de anos. E faz com que galáxias distantes acelerem, em vez de desacelerarem, à medida que se afastam de nós no Universo em expansão.

Não há uma única modificação que explique todas essas observações juntas. Na verdade, qualquer outra modificação que você possa fazer – seja alterando as leis ou adicionando um novo ingrediente – resolverá menos desses problemas do que a matéria escura ou a energia escura. A maioria das ideias concorrentes por aí, como:

• modificando as leis da gravidade,
• tendo a energia escura como um campo dinâmico ou entidade que evolui com o tempo,
• ou inventando algum tipo de matéria escura em decomposição ou energia escura primitiva,

tem uma (ou ambas) de duas falhas fatais. Ou eles exigem mais do que os dois novos parâmetros adicionados pela matéria escura e pela energia escura, ou não conseguem resolver todos os problemas que a adição de matéria escura e energia escura resolve.

A impressão deste artista representa concentrações em pequena escala de matéria escura no aglomerado de galáxias MACSJ 1206. Os astrônomos mediram a quantidade de lentes gravitacionais causadas por este aglomerado para produzir um mapa detalhado da distribuição de matéria escura nele. Deve haver uma subestrutura de matéria escura em pequena escala presente para explicar essas observações. (ESA/HUBBLE, M. KORMESSER)

Na ciência, a maioria das pessoas faz uso da navalha de Occam – a noção de que, dada a escolha entre as explicações, a mais simples geralmente é a melhor – erroneamente. Não é mais simples modificar a gravidade do que adicionar matéria escura e energia escura, não se essa modificação exigir dois ou mais parâmetros adicionados. Não é mais simples introduzir um tipo de energia escura que não seja uma constante cosmológica; a última é a classe mais simples de energia escura que existe, e funciona para tudo. Em vez disso, você teria que fazer algo como inventar uma explicação que introduzisse apenas uma nova entidade, substituindo a matéria escura e a energia escura juntas.

Por mais desconcertante que seja, a matéria escura e a energia escura são a explicação mais simples. UMA ideia de fluido escuro em si necessita de vários parâmetros livres. O novo MOND relativista introduzido no início deste ano ou o antigo gravidade tensor-vetor-escalar de Bekenstein não apenas adiciona pelo menos tantos parâmetros quanto a matéria escura e a energia escura, mas eles ainda não podem explicar os aglomerados de galáxias. O problema não é que a matéria escura e a energia escura simplesmente precisam estar certas. É que todas as outras ideias são objetivamente piores. O que quer que esteja realmente acontecendo com nosso Universo, devemos a nós mesmos continuar a investigação. É a única maneira de sabermos como a natureza realmente funciona, simples ou não.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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