• Começa com um estrondo

Por que modificar a gravidade não soma

O Universo gravita de modo que a matéria normal e a Relatividade Geral sozinhas não podem explicá-lo. Eis por que a matéria escura supera a gravidade modificada.

Principais conclusões

• Se você somar toda a matéria normal do Universo e calcular os efeitos gravitacionais esperados da Relatividade Geral, o que prevemos não corresponde ao que vemos.
• Embora a matéria escura tenha sido o modelo de consenso favorito devido ao seu extraordinário poder explicativo, uma ideia concorrente é modificar a teoria da gravidade.
• No entanto, quando analisamos o resultado de fazê-lo em detalhes, descobrimos que a modificação da gravidade está severamente ausente do que pode fazer em comparação com a matéria escura. Eis por que não soma.

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Quando olhamos para o Universo – desde a Lua, planetas e objetos em nosso Sistema Solar até as estrelas, galáxias e estruturas ainda maiores – assumimos que todos esses sistemas obedecem às mesmas leis fundamentais. Também assumimos que o conjunto completo do que observamos pode ser explicado pelos mesmos conjuntos de partículas que governam nossa própria existência. Infelizmente, pelo menos uma dessas duas suposições deve estar errada, pois aplicar as leis conhecidas da física às partículas do Modelo Padrão conhecido não pode explicar o conjunto completo de estruturas e comportamentos que observamos.

Há muito se sabe que adicionar apenas um ingrediente adicional ao Universo pode explicar o comportamento de todas as estruturas que vemos. Esse ingrediente, conhecido como matéria escura, teria as seguintes propriedades:

• estaria sempre frio, ou movendo-se lentamente em comparação com a velocidade da luz,
• existiria em cinco vezes a abundância de matéria normal,
• gravitaria, mas não experimentaria as interações eletromagnéticas ou nucleares,
• ele não colidiria consigo mesmo ou com qualquer uma das partículas do Modelo Padrão,
• mas curvaria o espaço com a mesma certeza que qualquer entidade com massa ou energia faria.

A matéria escura é a principal explicação para esse quebra-cabeça por várias razões. Mas também é possível, assim como novos fenômenos aparecem em escalas subatômicas, que existam novos fenômenos gravitacionais que aparecem sob certas condições cósmicas. Isso exigiria não uma modificação na composição do Universo, mas uma modificação em nossa compreensão da gravitação. É uma ideia convincente digna de consideração, mas que devemos examinar em detalhes para ver se realmente vale a pena.

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 abundância e orientação de espirais e elípticas em relação à distância do centro do aglomerado, podemos aprender sobre como o momento angular surge dentro das galáxias membros.

Observacionalmente, sabemos que algo estava errado com a suposição mais simples sobre o Universo por um longo tempo: assumir que a Relatividade Geral mais a física dos átomos governavam todas as estruturas do Universo. Claro, isso funciona perfeitamente bem em experimentos aqui na Terra, bem como para observações em todo o Sistema Solar, mas em escalas galácticas e maiores, desmorona.

Na década de 1930, o astrônomo Fritz Zwicky estava observando galáxias individuais dentro do Aglomerado Coma: um aglomerado denso e próximo de mais de 1.000 galáxias no Universo relativamente próximo. Quando calculou a massa do aglomerado a partir da luz das estrelas que observou, obteve um número; quando ele calculou quanta massa precisava estar no aglomerado a partir dos movimentos observados das galáxias individuais dentro dele, ele obteve um número diferente. O único problema? Os números diferiam em uma quantidade tremenda: um fator de ~ 160.

Esse problema foi amplamente ignorado até a década de 1970, pois a maioria dos astrônomos presumia que havia simplesmente uma fonte de matéria não descoberta dentro das galáxias e do próprio aglomerado. Mas começando com o trabalho pioneiro de Vera Rubin, começamos a ver esse mesmo fenômeno também em galáxias individuais em rotação. À medida que você se afastava do centro galáctico, as velocidades de rotação não caíram como você esperava gravitacionalmente, mas permaneceram altas até o limite da observabilidade.

A curva de rotação estendida de M33, a galáxia Triangulum. Essas curvas de rotação de galáxias espirais inauguraram o conceito astrofísico moderno de matéria escura para o campo geral. A curva tracejada corresponderia a uma galáxia sem matéria escura, que representa menos de 1% das galáxias. A matéria escura não é a única explicação possível para essa observação; gravidade modificada também pode explicar isso.

Com o passar do tempo, as evidências observacionais aprimoradas só pareciam fortalecer esses problemas. Muitos problemas com o fator de Zwicky de ~160 foram encontrados:

• ele subestimou as proporções de massa para luz de uma estrela típica por cerca de um fator de 3,
• ele subestimou a fração de massa em gases, em oposição a apenas estrelas,
• e ele subestimou a fração de massa de aglomerados na forma de plasmas.

Quando você junta esses fatores, no entanto, uma discrepância ainda permanece: uma incompatibilidade de cerca de um fator de seis. Além disso, Rubin (e depois outros) observou muitas galáxias individuais, encontrando os mesmos problemas tanto para espirais ricas em gás quanto para elípticas pobres em gás: suas velocidades de rotação não caíram em grandes distâncias dos centros galácticos, mas permaneceram grandes. Às vezes, eles aumentaram ou diminuíram ligeiramente, mas na maioria permaneceram grandes.

Juntando esses dois conjuntos de observações, fica claro que algo estava errado. Talvez houvesse alguma forma invisível de massa presente: a hipótese da matéria escura. Mas talvez outra explicação deva ser considerada: talvez fosse necessário apenas modificar a lei da gravidade. A primeira tentativa séria ocorreu no início da década de 1980, quando o físico Moti Milgrom apresentou uma ideia maluca, mas convincente: MOND, para MODified Newtonian Dynamics.

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. As teorias da gravidade modificadas, embora não possam explicar muito bem muitos desses fenômenos, fazem um excelente trabalho ao detalhar a dinâmica das galáxias espirais.

A hipótese de MOND era fascinante: muito longe dos centros das galáxias, em escalas de milhares de anos-luz ou mais, as acelerações previstas das estrelas em torno de seus centros galácticos seriam extremamente pequenas, mas elas estão sendo puxadas por um sistema, em geral, de massa tremendamente substancial (matéria normal). Se a aceleração causada por essa massa central cair abaixo de um valor crítico - uma nova constante hipotética da natureza - então a aceleração não é determinada pela força gravitacional (ou curvatura do espaço) causada pela massa dominante, mas reverte para aquele mínimo valor.

Em outras palavras, ao contrário do nosso Sistema Solar, onde os planetas e outros corpos rochosos, gelados e gasosos orbitam o Sol com velocidades cada vez menores à medida que se afastam do Sol, estrelas dentro de estruturas cósmicas maiores obedecem a uma regra diferente. À medida que você se afasta do centro de uma galáxia, a velocidade com que as estrelas se movem em torno dela assíntota em direção a um valor mínimo: uma constante que é proporcional a (a quarta raiz de):

• a quantidade total de matéria normal dentro dessa galáxia,
• a constante gravitacional,
• e essa nova constante hipotética de “aceleração mínima”.

Notavelmente, essa modificação na gravidade explica com sucesso os movimentos de estrelas individuais dentro de todos os tipos conhecidos de galáxias, exceto as extremamente raras e recentemente descobertas populações de galáxias que parecem não ter matéria escura (ou os efeitos normalmente vistos da gravidade modificada) inteiramente.

Em uma ampla gama de massas, as galáxias caíram ao longo de uma relação chamada relação bariônica de Tully-Fisher, onde a velocidade de rotação observada/inferida era determinada apenas pela matéria normal, independentemente da matéria escura. A existência de uma população de galáxias que não seguem essa regra fornece fortes evidências de uma população fundamentalmente diferente: um conjunto de galáxias sem matéria escura, seguindo a linha cinza.

De pequenas galáxias espirais a gigantes massivas, de galáxias anãs esferoidais a enormes elípticas, esta regra simples – que há um valor mínimo para acelerações de corpos astrofísicos em escalas galácticas e maiores – funciona notavelmente bem para galáxias individuais. Mesmo quando observamos os movimentos de pequenas galáxias satélites em torno de galáxias grandes e massivas, essa mesma regra MONDiana de uma aceleração mínima parece descrever seus movimentos com extrema precisão. Além disso, neste regime em particular, o MOND pode até superar a matéria escura em detalhes sangrentos, levando a previsões muito mais consistentes e precisas para os movimentos dos componentes galácticos do que as simulações de matéria escura.

Além disso, existem alguns paralelos teóricos interessantes que apoiam ainda mais a ideia da gravidade modificada como, talvez, um passo em direção a uma teoria mais plenamente fundamental. No eletromagnetismo, o comportamento dos campos elétricos e magnéticos muda se você estiver em um meio dielétrico, e não no vácuo do espaço vazio; a modificação da gravidade newtoniana que lhe dá o MOND se comporta de maneira muito análoga: como um dielétrico gravitacional. Se você quiser mesclar o MOND com a Relatividade Geral de Einstein, também é possível, simplesmente adicionando termos escalares (e possivelmente vetoriais) além dos termos do tensor métrico padrão.

Existem cinco naves espaciais atualmente saindo do Sistema Solar ou que já o deixaram. De 1973 a 1998, a Pioneer 10 era a espaçonave mais distante do Sol, mas em 1998, a Voyager 1 a pegou e passou. No futuro, a Voyager 2 também será aprovada e, eventualmente, a New Horizons também passará a Pioneer 11 e, posteriormente, a Pioneer 10. Modificações na gravidade não podem prever desvios das trajetórias observadas, que correspondem às previsões da física conhecida com uma teoria geral da relatividade não modificada.

Desde que você cumpra alguns critérios básicos de consistência:

• que você pode recuperar a Relatividade Geral padrão em escalas do Sistema Solar,
• que sua velocidade da gravidade é igual à velocidade da luz e as ondas gravitacionais se comportam como a Relatividade Geral padrão prevê,
• e que, em escalas de até alguns milhões de anos-luz, o termo de aceleração adicional substitui acelerações em escala de galáxias menores,

essas modificações na gravidade parecem ser um caminho extremamente promissor. De fato, um grande número de pesquisadores é frequentemente atraído por esse fascínio e pela plausibilidade de explicar o Universo observado sem adicionar ingredientes cuja evidência só existe indiretamente: através de seus efeitos gravitacionais.

Mas o Universo é muito mais do que acontece no Sistema Solar e escalas galácticas; há literalmente um cosmos inteiro lá fora. De fato, as primeiras evidências de matéria escura não apareceram nessas escalas, mas em escalas maiores: nas escalas de aglomerados de galáxias. Com a prescrição acima mencionada para modificar a gravidade, devemos ser capazes de fazer previsões de como as galáxias individuais se movem dentro dos aglomerados de galáxias. De fato, temos um, mas é aqui que terminam as boas notícias: as previsões não correspondem às observações, fornecendo velocidades muito baixas – em escalas que se estendem do centro do aglomerado a vários milhões de anos-luz – por fatores de 50- 80%.

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.

Como você pode conciliar isso se você ainda deseja salvar a gravidade modificada sem ter que jogar matéria escura? (Ou, alternativamente, um novo tipo de campo ou interação que se comporta de forma indistinta da matéria escura?) Existem apenas duas maneiras.

1. Você pode postular uma modificação separada adicional da gravidade que entra em jogo em escalas de cluster.
2. Você pode levantar a hipótese de que há matéria adicional, até agora não vista, além do que é conhecido, esperado, observado e calculado para estar presente em aglomerados de galáxias.

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Temos um ditado na cosmologia que se aplica fortemente à primeira linha de pensamento: “Você só pode invocar a Fada dos Dentes uma vez”. Em outras palavras, você teria que modificar a gravidade de duas maneiras separadas para explicar os dois problemas separados encontrados em várias escalas de distância. Se agora você está preocupado em extrapolar para escalas cósmicas ainda maiores e se precisaria de uma terceira modificação se seguisse esse caminho, direi o seguinte: você não está apenas certo em se preocupar, mas precisaria de um quarta modificação se você quiser considerar a energia escura também.

Mas a segunda via – a hipótese de matéria normal adicional em aglomerados de galáxias – vem junto com outros problemas que talvez sejam ainda mais alarmantes.

Uma visão do Telescópio Espacial Hubble do aglomerado de galáxias MACS 0416 é anotada em ciano e magenta para mostrar como ele age como uma “lente gravitacional”, ampliando fontes de luz de fundo mais distantes. Cyan destaca a distribuição de massa no aglomerado, principalmente na forma de matéria escura. Magenta destaca o grau em que as galáxias de fundo são ampliadas, o que está relacionado à forma como a massa é especificamente distribuída dentro do aglomerado.

Alguns aglomerados de galáxias exibem sinais de lentes gravitacionais, ampliando e distorcendo a luz dos objetos de fundo atrás deles. Isso novamente requer matéria adicional, particularmente em direção aos centros dos aglomerados: onde a gravidade modificada prevê grandes acelerações.

Alguns aglomerados de galáxias são quentes, onde os gases internos emitem raios-X. Isso coloca restrições severas sobre a quantidade de “matéria normal adicional” que pode haver, em conflito com as observações acima.

Alguns aglomerados de galáxias estão em alguns estágios de uma colisão de aglomerados: com aglomerados se aproximando um do outro, atingindo uns aos outros, desacelerando para se fundir após sua interação inicial ou se estabelecendo após tal interação. Como você poderia esperar, a maior parte da matéria normal de dentro do aglomerado “se espalha” entre os dois aglomerados, revelando raios-X. No entanto, os efeitos gravitacionais aparecem em regiões como se os dois aglomerados simplesmente passassem um pelo outro: não no local onde está localizada a maior parte da matéria normal.

Ou a gravidade é subitamente uma força não local – tendo efeitos baseados em onde a matéria não está – ou a presença de matéria escura é inequivocamente revelada precisamente por essa classe de sistema.

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.

É importante ressaltar que também existem aglomerados de galáxias em direção um ao outro em um estado pré-colisional e, nesses casos, não há separação da matéria normal dos efeitos gravitacionais. Se a matéria escura está presente, esse fenômeno é fácil de explicar: a matéria normal e a matéria escura são separadas pela colisão, pois a matéria normal interage, aquece, desacelera e emite raios X, enquanto a matéria escura simplesmente “costa”. influenciada apenas pela gravidade. Mas se houver uma modificação na gravidade, é muito difícil explicar por que os aglomerados pós-colisional exibem efeitos gravitacionais não locais, mas não os aglomerados pré-colisional. Além de tudo isso, não há espaço para “matéria normal adicional” no Universo, pois a quantidade total de matéria normal cósmica é definitivamente conhecido e fortemente limitado pela Nucleossíntese do Big Bang : um conjunto teórico e observacional de informações totalmente divorciado da questão da matéria escura/gravidade modificada.

Mas, finalmente, chegamos às escalas cósmicas das maneiras mais importantes: a estrutura em grande escala do Universo e o brilho remanescente do Big Bang, o Fundo Cósmico de Microondas (CMB). Estes são assassinos absolutos para a gravidade modificada, pois cada sonda deles requer um ingrediente adicional (ou uma modificação da gravidade equivalente à adição de tal ingrediente) que é equivalente aos efeitos da matéria escura. A teia cósmica exige isso; as correlações galáxia-galáxia exigem isso; o espectro de poder do Universo o exige; e, em particular, os sete picos acústicos observados no CMB absolutamente o exigem. Sem matéria escura ou uma imitação equivalente, o terceiro, quinto e sétimo picos acústicos não existiriam!

O mapa (topo) das flutuações de temperatura no CMB do Planck, juntamente com o espectro de potência de flutuação de temperatura (meio) conforme medido. Os dois painéis inferiores mostram as flutuações de temperatura simuladas em várias escalas angulares que aparecerão no CMB em um Universo com a quantidade medida de radiação e, em seguida, 70% de energia escura, 25% de matéria escura e 5% de matéria normal (L) , ou um Universo com 100% de matéria normal e sem matéria escura (R). As diferenças no número de picos, bem como as alturas e localizações dos picos, são facilmente observadas.

Este é o principal conjunto de problemas em considerar a gravidade modificada como uma alternativa séria à matéria escura. As modificações da gravidade que funcionam em escalas galácticas – e sim, reconhecidamente, que funcionam muito bem em escalas galácticas – não funcionam adequadamente em escalas cósmicas maiores. Se você deseja que sua teoria da gravidade modificada funcione nessas escalas, você precisa adotar uma imitação da matéria escura para explicá-las ou precisa invocar modificações adicionais sobre a inicialmente bem motivada. Em ambos os casos, você perde a simplicidade da abordagem “uma nova adição, muitos problemas resolvidos” que torna a matéria escura tão atraente.

Parte da maneira pela qual avançamos em nossa compreensão do Universo é desafiando nossas teorias mais queridas e aceitas da maneira mais corajosa possível: tentando derrubá-las de todos os ângulos e buscando alternativas que possam fazer o trabalho tão bem ou até melhor do que eles podem. Em escalas galácticas, gravidade modificada pode absolutamente fazer isso , e os modelos de matéria escura têm que enfrentar os desafios diante deles: de trabalhar através da formação de estrutura não linear, o feedback da formação de estrelas, o aquecimento dinâmico da matéria escura em núcleos galácticos e de aglomerados, etc., para melhor corresponder às observações. Mas em escalas de aglomerados, escalas cósmicas e desde os primeiros tempos até os últimos, a matéria escura é primorosamente bem-sucedida em reinos onde a gravidade modificada requer uma mistura de súplicas especiais e uma quantidade insalubre de auto-ilusão.

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