Pergunte a Ethan: Por que a matéria escura não pode ser feita de luz?

Há uma fonte extra de 'coisas' massivas em nosso Universo além do que a gravitação e a matéria normal podem explicar. A luz poderia ser a resposta?
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. Mas soluções alternativas para os problemas de 'massa perdida', além da matéria escura, devem sempre ser consideradas e comparadas com os dados observacionais. ( Crédito : NASA, ESA e T. Brown e J. Tumlinson (STScI))
Principais conclusões
  • Com base em todo um conjunto de evidências cósmicas, de uma variedade de fontes independentes, observáveis ​​e escalas cósmicas, temos certeza de que há mais coisas acontecendo com as “coisas” em nosso Universo do que a matéria normal, sozinha, pode explicar.
  • O quebra-cabeça da matéria escura tem muitas opções fascinantes, mas a maior parte do trabalho científico está focada em uma classe particular de soluções hipotéticas: partículas massivas, frias e sem colisões.
  • E quanto à possibilidade de que essa 'massa faltante' seja realmente luz, ou pelo menos alguma outra forma de radiação sem massa? Afinal, se E = mc² está certo, a luz não deveria gravitar também?
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Embora o “problema da matéria escura”, como é conhecido hoje, seja um dos maiores mistérios cósmicos, não foi assim que sempre concebemos o problema. Sabíamos, pelos objetos que observamos, quanta luz vinha deles. A partir do que entendemos sobre astrofísica – como as estrelas funcionam, como gás, poeira, planetas, plasmas, buracos negros, etc. presente. Também sabíamos, pela gravitação, quanta massa total deve estar presente em objetos como galáxias e aglomerados de galáxias. A incompatibilidade, originalmente, era conhecida como o problema da “massa faltante”, pois a gravidade está claramente lá, mas a questão é o que está faltando.



Bem, e se não for matéria, mas radiação? Essa é a ideia apresentada por Chris S., que se pergunta:



“Você escreveu um artigo sobre por que a totalidade dos fótons no universo não pode ser nossa indescritível matéria escura? Se E=mc² e fótons são equivalentes a uma certa quantidade de massa, por que não podemos simplesmente dizer que eles compõem o tipo de matriz ou “éter” da matéria escura?”



É uma excelente pergunta e uma ideia que vale a pena considerar. Como se vê, a radiação não funciona bem, mas a razão pela qual é fascinante e educacional. Vamos mergulhar!

Uma galáxia espiral como a Via Láctea gira como mostrado à direita, não à esquerda, indicando a presença de matéria escura. Não apenas todas as galáxias, mas aglomerados de galáxias e até mesmo a teia cósmica em grande escala, exigem que a matéria escura seja fria e gravitacional desde os primeiros tempos do Universo.
( Crédito : Ingo Berg/Wikimedia Commons; Agradecimento: E. Siegel)

A primeira evidência de que algo mais do que “matéria normal” é necessário para explicar o que vemos remonta à década de 1930. Isso foi antes de podermos medir como as galáxias giravam, antes de entendermos nosso Universo como surgindo de um estado inicial quente, denso e uniforme, e antes de entendermos quais consequências surgiriam de um Big Bang quente, como



  • um brilho remanescente de radiação que permeia o Universo,
  • a formação gradual da estrutura cósmica em grande escala impulsionada pela gravidade,
  • e a abundância inicial dos elementos formados por fusão nuclear durante o início da história do Universo.
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Mas ainda sabíamos como as estrelas funcionavam e ainda sabíamos como a gravitação funcionava. O que conseguimos fazer foi observar como as galáxias estavam se movendo – pelo menos ao longo de nossa linha de visão – dentro de um enorme aglomerado de galáxias. Ao medir a luz proveniente dessas galáxias, pudemos inferir quanta matéria existia na forma de estrelas. Ao medir a rapidez com que essas galáxias estavam se movendo uma em relação à outra, poderíamos inferir (a partir do teorema do virial, ou da simples condição de que o aglomerado esteja ligado, e não no processo de separação) quanta massa, ou energia total, estava neles.



O aglomerado de galáxias Coma, visto com uma composição de telescópios espaciais modernos e terrestres. Os dados infravermelhos vêm do telescópio espacial Spitzer, enquanto os dados terrestres vêm do Sloan Digital Sky Survey. O Aglomerado Coma é dominado por duas galáxias elípticas gigantes, com mais de 1000 outras espirais e elípticas em seu interior. Ao medir a rapidez com que essas galáxias se movem dentro do aglomerado, podemos inferir a massa total do aglomerado.
( Crédito : NASA / JPL-Caltech / L. Jenkins (GSFC))

Não só eles falharam em combinar, mas a incompatibilidade foi impressionante: havia cerca de 160 vezes mais massa (ou energia) necessária para manter esses aglomerados de galáxias gravitacionalmente ligados do que estava presente na forma de estrelas!

Mas – e talvez esta seja a parte mais notável – quase ninguém parecia se importar. Muitos dos principais astrônomos e astrofísicos da época simplesmente afirmaram: “Bem, existem muitos lugares adicionais em que a matéria pode estar se escondendo, como planetas, poeira e gás, então não se preocupe com essa incompatibilidade. Tenho certeza de que tudo se somará quando contabilizarmos isso.”



Infelizmente para todos nós, não buscamos isso como comunidade até a década de 1970, quando as evidências de galáxias em rotação indicavam claramente o mesmo problema em uma escala diferente. Se tivéssemos, poderíamos ter usado nosso conhecimento sobre:

  • como a variedade de estrelas que existem, e como elas diferem da relação entre luminosidade e massa do Sol, reduziu isso de um problema de 160 para 1 para um problema de 50 para 1,
  • como a presença de gases e plasmas, conforme revelado por uma variedade de observações de características de emissão e absorção em vários comprimentos de onda de luz, reduziu isso de um problema de 50 para 1 para um problema de ~ 5 para 1 ou 6 para 1 problema,
  • e como a presença de planetas, poeira e buracos negros eram insignificantes.
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. Os raios-X vêm em duas variedades, suaves (de baixa energia) e duros (de alta energia), onde as colisões de galáxias podem criar temperaturas superiores a várias centenas de milhares de graus.
( Crédito : NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suíça; Universidade de Edimburgo, Reino Unido), R. Massey (Universidade de Durham, Reino Unido), T. Kitching (University College London, Reino Unido) e A. Taylor e E. Tittley (Universidade de Edimburgo, Reino Unido))

Em outras palavras, o problema da “massa faltante” – mesmo se olharmos apenas para os aglomerados de galáxias e a física/astrofísica dentro deles – realmente é um problema que a matéria normal sozinha não pode resolver. Desde então, conseguimos medir a quantidade total de matéria normal, baseada em átomos no Universo, com base na física da fusão nuclear, as condições durante o Big Bang quente, as interações entre prótons, nêutrons, neutrinos , elétrons e fótons, e também nossas medições das nuvens de gás mais puras já descobertas.

O resultado é que apenas ~ 5% da quantidade total de energia no Universo está trancada na forma de matéria normal: não o suficiente para explicar a quantidade total de gravitação que vemos os vários objetos no Universo experimentando.

Então, o que acontece se tentarmos adicionar quantidades adicionais de fótons ao Universo? O que acontece se adicionarmos grandes quantidades de energia na forma de fótons, o suficiente para compensar o déficit gravitacional ausente que deve estar lá? É uma ideia interessante, possível graças à famosa equação de Einstein, E=mc² , que nos diz que, embora os fótons não tenham massa de repouso, eles têm um “equivalente de massa” devido à energia de cada fóton; sua massa efetiva que contribui para a gravitação é dada por m = E/ .

No universo quente e primitivo, antes da formação de átomos neutros, os fótons se espalham de elétrons (e, em menor grau, prótons) a uma taxa muito alta, transferindo momento quando o fazem. Depois que os átomos neutros se formam, devido ao resfriamento do Universo abaixo de um certo limiar crítico, os fótons simplesmente viajam em linha reta, afetados apenas no comprimento de onda pela expansão do espaço.
(Crédito: Amanda Yoho por Starts With A Bang)

Existem alguns problemas que surgem imediatamente, nos ensinando não apenas que esse cenário nos falha, mas, mais importante, nos mostra Como as este cenário não funciona.

  • Primeiro, se você adicionasse energia suficiente na forma de fótons para manter os aglomerados de galáxias gravitacionalmente ligados, descobriria que – porque os fótons devem sempre se mover na velocidade da luz – a única maneira de impedir que os fótons sejam transmitidos fora de seus aglomerados de galáxias seria fazê-los cair em um buraco negro. Isso aumentaria a massa restante da singularidade de um buraco negro, mas ao custo de destruir os próprios fótons. Caso contrário, eles simplesmente escapariam em pouco tempo e o aglomerado se dissociaria.
  • Em segundo lugar, se você adicionasse fótons adicionais para aumentar o balanço de energia em fótons (uma forma de radiação) no Universo, você se depararia com um tremendo problema: a energia dos fótons diminui rapidamente em relação à energia da matéria. Sim, matéria e radiação são ambas feitas de quanta, e o número de quanta por unidade de volume de espaço diminui à medida que o Universo se expande. Mas para a radiação, como os fótons, a energia individual de cada quantum é determinada por seu comprimento de onda, e esse comprimento de onda também se estende à medida que o Universo se expande. Em outras palavras, a energia do Universo na forma de radiação diminui mais rapidamente do que a energia na forma de matéria e, portanto, se a radiação fosse responsável por efeitos gravitacionais adicionais, esses efeitos diminuiriam ao longo do tempo à medida que o Universo envelhece, em conflito com observações.
  energia escura Enquanto a matéria (tanto normal quanto escura) e a radiação se tornam menos densas à medida que o Universo se expande devido ao seu volume crescente, a energia escura, e também a energia do campo durante a inflação, é uma forma de energia inerente ao próprio espaço. À medida que um novo espaço é criado no Universo em expansão, a densidade de energia escura permanece constante. Observe que os quanta individuais de radiação não são destruídos, mas simplesmente diluídos e desviados para o vermelho para energias progressivamente mais baixas.
( Crédito : E. Siegel/Além da Galáxia)
  • E terceiro, e talvez o mais importante, se você tivesse energia adicional na forma de fótons no início do Universo, isso alteraria completamente a abundância dos elementos de luz, que é observado de forma robusta e rigorosamente restringido. Podemos dizer, com incertezas extremamente pequenas, que havia cerca de 1,5 bilhão de fótons para cada bárion (próton ou nêutron) quando o Universo tinha apenas alguns minutos, e observamos a mesma densidade de fóton e bárion primordial correspondente hoje quando olhamos para o Universo. Adicionar mais fótons e mais energia de fótons arruinaria isso.

Portanto, está bem claro que, se houvesse mais fótons (ou mais energia de fótons) no Universo, teríamos notado, e muitas coisas que medimos com muita precisão teriam produzido resultados muito diferentes. Mas pensar sobre esses três fatores pode nos levar muito, muito mais longe do que simplesmente a conclusão de que qualquer que seja a matéria escura, não pode ser o humilde fóton. Há muitas outras lições que podemos aprender. Aqui estão alguns deles.

  elementos Os elementos mais leves do Universo foram criados nos estágios iniciais do Big Bang quente, onde prótons e nêutrons brutos se fundiram para formar isótopos de hidrogênio, hélio, lítio e berílio. O berílio era todo instável, deixando o Universo apenas com os três primeiros elementos antes da formação das estrelas. As razões observadas dos elementos nos permitem quantificar o grau de assimetria matéria-antimatéria no Universo comparando a densidade bariônica com a densidade do número de fótons, e nos leva à conclusão de que apenas ~ 5% da densidade total de energia moderna do Universo é permitido existir na forma de matéria normal, e que a proporção bário-fóton, exceto pela queima de estrelas, permanece praticamente inalterada em todos os momentos.
( Crédito : E. Siegel/Além da Galáxia (L); Equipe Científica da NASA/WMAP (R))

A partir da primeira restrição – que a radiação fluiria de estruturas gravitacionalmente ligadas – podemos olhar para o universo jovem e primitivo e ver a rapidez com que vários tipos de estruturas ligadas se formam. Se o que for responsável por esse efeito gravitacional adicional, além da matéria normal (baseada em átomos) que nosso Universo possui, estivesse se movendo rapidamente em comparação com a velocidade da luz nos primeiros tempos, fluiria para fora de qualquer estrutura que tentasse entrar em colapso gravitacional e Formato.

Nuvens de gás começariam a entrar em colapso, mas o fluxo de material energético em movimento rápido faria com que elas se expandissem novamente. A estrutura de pequena escala seria suprimida em comparação com escalas maiores, pois a expansão do Universo “resfriará” e desacelerará esse material relativístico no momento em que a estrutura de maior escala puder se formar, criando uma supressão dependente da escala. E a abundância relativa da matéria escura em relação à matéria normal pareceria ser maior agora do que no início do Universo, já que nos primeiros tempos, apenas a estrutura normal baseada na matéria se formaria, mas nos últimos tempos, a matéria escura se tornaria gravitacionalmente ligada a essas estruturas.

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 dos elementos de luz no interior e a rapidez com que colapsaram para formar a estrutura cósmica, mesmo em escalas cósmicas muito pequenas.
( Crédito : Ed Janssen/ESO)

Isso apareceria como características em muitos lugares, incluindo que alteraria os solavancos e oscilações no fundo cósmico de micro-ondas, criaria um espectro de energia de matéria fortemente suprimido em pequenas escalas cósmicas, levaria a uma profundidade suprimida para a absorção linhas impressas em quasares e galáxias de nuvens de gás intervenientes, e isso tornaria a teia cósmica “mais inchada” e menos rica em recursos do que é.

As observações que estabelecemos limitam a velocidade com que a matéria escura poderia estar se movendo nos primeiros tempos. Em princípio, poderia ter sido:

  • quente, onde se move rapidamente em comparação com a luz no início, e só se tornou não relativístico em tempos relativamente tardios,
  • quente, onde se move moderadamente rápido em comparação com a velocidade da luz no início, mas se torna não relativístico em tempos intermediários,
  • ou frio, onde sempre se movia lentamente em relação à velocidade da luz, e não era relativista durante todos os estágios de formação da estrutura.

Com base nas observações que temos, podemos concluir fortemente que quase toda a matéria escura do Universo – algo como 93% ou mais – deve ser fria, ou pelo menos “mais fria do que os modelos de matéria escura quente ou quente permitem”. mesmo muito cedo. Caso contrário, não veríamos as estruturas que fazemos com as propriedades que elas possuem no Universo hoje.

As estruturas de matéria escura que se formam no Universo (esquerda) e as estruturas galácticas visíveis que resultam (direita) são mostradas de cima para baixo em um Universo de matéria escura frio, quente e quente. Das observações que temos, pelo menos 98%+ da matéria escura deve ser fria ou quente; quente é descartado. Observações de muitos aspectos diferentes do Universo em uma variedade de escalas diferentes apontam, indiretamente, para a existência de matéria escura.
( Crédito : ITP, Universidade de Zurique)

A partir da segunda restrição, que nos ensinou que a abundância relativa de matéria normal para “o que quer que esteja causando esse descompasso entre a gravidade e nossas expectativas de matéria normal” não pode mudar ao longo do tempo, sabemos que qualquer que seja o culpado por esses efeitos, ele deve se comportar da mesma forma. mesmo nos primeiros tempos em comparação com os tempos tardios. Isso significa que ela tem que ter a mesma equação de estado que a matéria normal: ela deve diluir à medida que o volume do Universo se expande, mas não pode ter seu comprimento de onda estendido (e diminuição de energia) nem pode ser fundamentalmente um, dois ou três. entidade dimensional como uma corda, parede ou textura cósmica.

Em outras palavras, ele deve se comportar como a matéria: matéria fria, não relativística, mesmo nos primeiros tempos. Não pode decair; não pode mudar sua equação de estado; não pode nem ser alguma forma de radiação “escura” que se comporte de forma diferente dos fótons do Modelo Padrão. Todas as espécies de energia que se comportam de forma diferente de como a matéria se comporta em um Universo em expansão são descartadas.

E, finalmente, a terceira restrição – a abundância dos elementos leves – nos diz que as propriedades dos fótons em relação aos bárions no Universo não podem ter mudado muito (além da conversão de massa em energia de fótons da fusão nuclear em estrelas) ao longo de todo o universo. história do Universo. Qualquer que seja a solução para esse quebra-cabeça da “massa perdida”, esta é uma peça do quebra-cabeça que não pode ser alterada.

Um aglomerado de galáxias pode ter sua massa reconstruída a partir dos dados de lentes gravitacionais disponíveis. A maior parte da massa é encontrada não dentro das galáxias individuais, mostradas como picos aqui, mas no meio intergaláctico dentro do aglomerado, onde a matéria escura parece residir. Simulações e observações mais granulares também podem revelar a subestrutura da matéria escura, com os dados concordando fortemente com as previsões da matéria escura fria.
( Crédito : A. E. Evrard, Nature, 1998)

Esta não é, é claro, uma discussão exaustiva de quais podem ser as possíveis soluções para os quebra-cabeças da “massa faltante” ou da “matéria escura”, mas é uma boa exploração de por que temos restrições tão rígidas sobre o que pode e o que não pode ser. Temos evidências muito fortes de muitas linhas de evidência independentes – em muitas escalas cósmicas diferentes e em muitos momentos cósmicos diferentes – de que entendemos muito bem a matéria normal em nosso Universo e como ela interage com fótons e com a radiação em geral.

Entendemos como e quando a estrutura se forma, incluindo detalhes gloriosos em muitas escalas diferentes, e sabemos que qualquer que seja a solução para o problema da matéria escura, ela está se comportando como se:

  • sempre existiu em toda a história cósmica,
  • nunca interagiu com fótons ou matéria normal de forma substancial e notável,
  • gravita e evolui da mesma forma que a matéria normal,
  • nunca estava se movendo rapidamente em comparação com a velocidade da luz,
  • e forma estruturas cósmicas em todas as escalas e em todos os tempos como se tivesse nascido frio e nunca tivesse mudado sua equação de estado.

De simplesmente considerar, “poderia a matéria escura realmente ser radiação”, há um tremendo conjunto de lições que o Universo pode nos ensinar sobre sua própria natureza. A interação de teoria, observação e simulações nos leva a uma conclusão notável: qualquer que seja a solução para o problema da “massa perdida”, com certeza se parece muito com a matéria escura fria, com restrições muito rígidas em todas as alternativas possíveis.

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