Apenas a matéria escura (e não a gravidade modificada) pode explicar o universo
A evolução da estrutura em grande escala no Universo, de um estado inicial uniforme ao Universo agrupado que conhecemos hoje. O tipo e a abundância de matéria escura produziriam um Universo muito diferente se alterássemos o que nosso Universo possui. (Angulo et al. 2008, via Universidade de Durham)
Houve muitos defensores públicos do campo sem matéria escura, recebendo muita atenção popular. Mas o Universo ainda precisa de matéria escura. Aqui está o porquê.
Se você desse uma olhada em todas as galáxias do Universo, medisse onde estava toda a matéria que você podia detectar, e então mapeasse como essas galáxias estavam se movendo, você ficaria bastante intrigado. Enquanto no Sistema Solar, os planetas orbitam o Sol com velocidade decrescente quanto mais longe do centro você vai – assim como a lei da gravitação prevê – as estrelas ao redor do centro galáctico não fazem tal coisa. Embora a massa esteja concentrada na protuberância central e em um disco plano, as estrelas nas regiões externas de uma galáxia giram em torno dela na mesma velocidade que nas regiões internas, desafiando as previsões. Obviamente, algo está faltando. Duas soluções vêm à mente: ou há algum tipo de massa invisível por aí compensando o déficit, ou precisamos modificar as leis da gravidade, como fizemos quando saltamos de Newton para Einstein. Embora ambas as possibilidades pareçam razoáveis, a explicação da massa invisível, conhecida como matéria escura, é de longe a opção superior. Aqui está o porquê.
Galáxias individuais podem, em princípio, ser explicadas pela matéria escura ou por uma modificação na gravidade, mas elas não são a melhor evidência que temos do que o Universo é feito, ou como ele chegou a ser como é hoje. (Stefania.deluca do Wikimedia Commons)
Em primeiro lugar, a resposta não tem nada a ver com galáxias individuais. As galáxias são alguns dos objetos mais confusos do Universo conhecido e, quando você está testando a própria natureza do próprio Universo, deseja o ambiente mais limpo possível. Há todo um campo de estudo dedicado a isso, conhecido como cosmologia física . (Divulgação completa: é o meu campo.) Quando o Universo nasceu, era muito próximo do uniforme: quase exatamente a mesma densidade em todos os lugares. Estima-se que a região mais densa com a qual o Universo começou era menos de 0,01% mais densa do que a região menos densa no início do Big Bang quente. A gravitação funciona de maneira muito simples e direta, mesmo em escala cósmica, quando estamos lidando com pequenos desvios da densidade média. Isso é conhecido como regime linear e fornece um ótimo teste cósmico tanto da gravitação quanto da matéria escura.
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 a matéria escura. (Colaboração Distinta / Simulação Ilustre)
Por outro lado, quando estamos lidando com grandes desvios da média, isso o coloca no que é chamado de regime não linear, e esses testes são muito mais difíceis de tirar conclusões. Hoje, uma galáxia como a Via Láctea pode ser um milhão de vezes mais densa que a densidade cósmica média, o que a coloca firmemente no regime não linear. Por outro lado, se olharmos para o Universo em escalas muito grandes ou em tempos muito antigos, os efeitos gravitacionais são muito mais lineares, tornando este o seu laboratório ideal. Se você quiser investigar se modificar a gravidade ou adicionar o ingrediente extra da matéria escura é o caminho a seguir, você deve procurar onde os efeitos são mais claros, e é aí que os efeitos gravitacionais são mais facilmente previstos: no regime linear.
Aqui estão as melhores maneiras de sondar o Universo naquela época e o que elas lhe dizem.
As flutuações no Fundo de Microondas Cósmicas foram primeiro medidas com precisão pelo COBE na década de 1990, depois com mais precisão pelo WMAP na década de 2000 e pelo Planck (acima) na década de 2010. Esta imagem codifica uma enorme quantidade de informações sobre o Universo primitivo, incluindo sua composição, idade e história. (ESA e a Colaboração Planck)
1.) As flutuações no Fundo de Microondas Cósmicas . Esta é a nossa primeira imagem verdadeira do Universo, e as flutuações na densidade de energia em um momento apenas 380.000 anos após o Big Bang. As regiões azuis correspondem a superdensidades, onde aglomerados de matéria começaram seu inevitável crescimento gravitacional, seguindo seu caminho para formar estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias. As regiões vermelhas são regiões subdensas, onde a matéria está sendo perdida para as regiões mais densas ao seu redor. Observando essas flutuações de temperatura e como elas se correlacionam – ou seja, em uma escala específica. qual é a magnitude de sua flutuação média longe da temperatura média - você pode aprender muito sobre a composição do seu universo.
As alturas e posições relativas desses picos acústicos, derivadas dos dados do Fundo de Microondas Cósmicas, são definitivamente consistentes com um Universo feito de 68% de energia escura, 27% de matéria escura e 5% de matéria normal. Os desvios são fortemente restritos. (Resultados do Planck 2015. XX. Restrições à inflação — Colaboração Planck (Ade, P.A.R. et al.) arXiv:1502.02114)
Em particular, as posições e alturas (especialmente as alturas relativas) dos sete picos identificados acima concordam espetacularmente com um ajuste particular: um Universo que é 68% de energia escura, 27% de matéria escura e 5% de matéria normal. Se você não incluir a matéria escura, os tamanhos relativos dos picos ímpares e os picos pares não podem ser combinados. O melhor que as alegações de gravidade modificada podem fazer é obter os dois primeiros picos (mas não o terceiro ou além), ou obter o espectro certo de picos adicionando também um pouco de matéria escura, o que anula todo o propósito. Não há modificações conhecidas na gravidade de Einstein que possam reproduzir essas previsões, mesmo após o fato, sem também adicionar matéria escura.
Uma ilustração dos padrões de agrupamento devido às oscilações acústicas de Baryon, onde a probabilidade de encontrar uma galáxia a uma certa distância de qualquer outra galáxia é governada pela relação entre a matéria escura e a matéria normal. À medida que o Universo se expande, essa distância característica também se expande, permitindo-nos medir a constante de Hubble. (Zosia Rostomian)
2.) A estrutura em larga escala no universo . Se você tem uma galáxia, qual a probabilidade de encontrar outra galáxia a uma certa distância? E se você olhar para o Universo em uma certa escala volumétrica, que desvios do número médio de galáxias você espera ver lá? Essas perguntas estão no centro da compreensão da estrutura em grande escala, e suas respostas dependem muito das leis da gravidade e do que está em seu Universo. Em um universo onde 100% de sua matéria é matéria normal, você terá grandes supressões de formação de estrutura em escalas específicas e grandes, enquanto se seu universo for dominado por matéria escura, você terá apenas pequenas supressões sobrepostas em um fundo suave . Você não precisa de simulações ou efeitos não lineares para testar isso; tudo isso pode ser calculado à mão.
Os pontos de dados de nossas galáxias observadas (pontos vermelhos) e as previsões de uma cosmologia com matéria escura (linha preta) se alinham incrivelmente bem. As linhas azuis, com e sem modificações na gravidade, não podem reproduzir essa observação sem matéria escura. (S. Dodelson, de http://arxiv.org/abs/1112.1320)
Quando olhamos para o Universo nessas escalas maiores e comparamos com as previsões desses diferentes cenários, os resultados são incontestáveis. Esses pontos vermelhos (com barras de erro, como mostrado) são as observações – os dados – do nosso próprio Universo. A linha preta é a previsão de nossa cosmologia ΛCDM padrão, com matéria normal, matéria escura (em seis vezes a quantidade de matéria normal), energia escura e relatividade geral como a lei que a governa. Observe as pequenas oscilações nele e quão bem – quão incrivelmente bem – as previsões correspondem aos dados. As linhas azuis são as previsões de matéria normal sem matéria escura, tanto em cenários padrão (sólido) quanto de gravidade modificada (pontilhada). E, novamente, não há modificações na gravidade conhecidas que possam reproduzir esses resultados, mesmo após o fato, sem incluir também a matéria escura.
O caminho que prótons e nêutrons percorrem no Universo primitivo para formar os elementos e isótopos mais leves: deutério, hélio-3 e hélio-4. A razão nucleon-fóton determina a quantidade desses elementos que teremos em nosso Universo hoje. Essas medições nos permitem conhecer a densidade da matéria normal em todo o Universo com muita precisão. (E. Siegel / Além da Galáxia)
3.) A abundância relativa de elementos leves formados no início do Universo . Esta não é especificamente uma questão relacionada à matéria escura, nem é extremamente dependente da gravidade. Mas devido à física do Universo primitivo, onde os núcleos atômicos são destruídos sob condições de energia alta o suficiente quando o Universo é extremamente uniforme, podemos prever exatamente quanto hidrogênio, deutério, hélio-3, hélio-4 e lítio- 7 deve ter sobrado do Big Bang no gás primordial que vemos hoje. Há apenas um parâmetro do qual todos esses resultados dependem: a proporção de fótons para bárions (prótons e nêutrons combinados) no Universo. Medimos o número de fótons no Universo graças aos satélites WMAP e Planck, e também medimos a abundância desses elementos.
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. (Equipe Científica da NASA / WMAP)
Juntando isso, eles nos dizem a quantidade total de matéria normal no Universo: é 4,9% da densidade crítica. Em outras palavras, sabemos a quantidade total de matéria normal no Universo. É um número que está em concordância espetacular com os dados de fundo de micro-ondas cósmicas e os dados de estrutura em larga escala e, no entanto, é apenas cerca de 15% da quantidade total de matéria que deve estar presente. Não há, novamente, nenhuma modificação conhecida da gravidade que possa fornecer essas previsões em larga escala e também fornecer essa baixa abundância de matéria normal.
Agrupe MACS J0416.1–2403 na óptica, um dos Campos de Fronteira do Hubble que revela, através de lentes gravitacionais, algumas das galáxias mais profundas e fracas já vistas no Universo. (NASA/STScI)
4.) A curvatura gravitacional da luz das estrelas de grandes massas de aglomerados no Universo . Quando olhamos para os maiores aglomerados de massa do Universo, os que estão mais próximos de ainda estarem no regime linear de formação da estrutura, notamos que a luz de fundo deles é distorcida. Isso se deve à curvatura gravitacional da luz das estrelas na relatividade conhecida como lente gravitacional. Quando usamos essas observações para determinar qual é a quantidade total de massa presente no Universo, obtemos o mesmo número que obtivemos desde o início: cerca de 30% da energia total do Universo deve estar presente em todas as formas de matéria, somadas , para reproduzir esses resultados. Com apenas 4,9% presentes na matéria normal, isso implica que deve haver algum tipo de matéria escura presente.
Lente gravitacional no aglomerado de galáxias Abell S1063, mostrando a curvatura da luz das estrelas pela presença de matéria e energia. (NASA, ESA e J. Lotz (STScI))
Quando você olha para o conjunto completo de dados, em vez de apenas alguns pequenos detalhes do que se passa no confuso, complexo regime, não-linear, não há nenhuma maneira de obter o Universo temos hoje sem a adição de matéria escura. As pessoas que usam a Navalha de Occam (incorretamente) para argumentar a favor da MOND, ou modificados newtoniana Dynamics, necessidade de considerar que a modificação da lei de Newton não vai resolver estes problemas para você. Se você usar Newton, você perca os sucessos da relatividade de Einstein, que são muito numerosas para listar aqui. Há o atraso de tempo Shapiro. Há dilatação do tempo gravitacional e desvio para o vermelho gravitacional. Há a estrutura do Big Bang e o conceito do Universo em expansão. Há o efeito Lens-Thirring. Existem as detecções directos de ondas gravitacionais, com a sua velocidade medida igual à velocidade da luz. E há os movimentos de galáxias dentro de agrupamentos e do agrupamento de galáxias se nas maiores escalas.
Nas escalas maiores, a forma como as galáxias se agrupam observacionalmente (azul e roxo) não pode ser correspondida por simulações (vermelho), a menos que a matéria escura seja incluída. (Gerard Lemson & the Virgo Consortium, com dados do SDSS, 2dFGRS e Millennium Simulation)
E para todas essas observações, não há uma única modificação da gravidade que possa reproduzir esses sucessos. Existem alguns indivíduos vocais na esfera pública que defendem o MOND (ou outras encarnações de gravidade modificada) como uma alternativa legítima à matéria escura, mas simplesmente não é uma neste momento. A comunidade cosmológica não é dogmática sobre a necessidade de matéria escura; acreditamos nele porque todas essas observações o exigem. No entanto, apesar de todos os esforços para modificar a relatividade, não há modificações conhecidas que possam explicar sequer dois desses quatro pontos, muito menos todos os quatro. Mas a matéria escura pode, e faz.
Só porque a matéria escura parece ser um fator falso para alguns, em comparação com a ideia de modificar a gravidade de Einstein, não dá a este último peso adicional. Como escreveu Umberto Eco no Pêndulo de Foucault, Como disse o homem, para todo problema complexo há uma solução simples, e está errada. Se alguém tentar lhe vender gravidade modificada, pergunte a eles sobre o fundo cósmico de micro-ondas. Pergunte a eles sobre a estrutura em grande escala. Pergunte a eles sobre a Nucleossíntese do Big Bang e o conjunto completo de outras observações cosmológicas. Até que eles tenham uma resposta robusta que seja tão boa quanto a da matéria escura, não se satisfaça.
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. (Raio-X: NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Óptica/Lente: CFHT/UVic./A. Mahdavi et al. (canto 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); X -ray: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Universidade da Califórnia, Santa Bárbara) e S. Allen (Universidade de Stanford) (canto inferior direito))
A gravidade modificada não pode prever com sucesso a estrutura em grande escala do Universo da maneira que um Universo cheio de matéria escura pode. Período. E até que possa, não vale a pena prestar atenção como um concorrente sério. Você não pode ignorar a cosmologia física em suas tentativas de decifrar o cosmos, e as previsões de estrutura em grande escala, o fundo de micro-ondas, os elementos de luz e a curvatura da luz das estrelas são algumas das previsões mais básicas e importantes que saem da cosmologia física. . O MOND tem uma grande vitória sobre a matéria escura: explica as curvas de rotação das galáxias melhor do que a matéria escura jamais conseguiu, inclusive até os dias atuais. Mas ainda não é uma teoria física e não é consistente com o conjunto completo de observações que temos à nossa disposição. Até esse dia chegar, a matéria escura será merecidamente a principal teoria do que compõe a massa em nosso Universo.
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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