• Começa Com Um Estrondo

Há um debate furioso sobre se a matéria escura é real, mas um lado está trapaceando

Esta grande galáxia de aparência difusa é tão difusa que os astrônomos a chamam de galáxia transparente porque podem ver claramente galáxias distantes atrás dela. O objeto fantasmagórico, catalogado como NGC 1052-DF2, não possui uma região central perceptível, nem mesmo braços espirais e um disco, características típicas de uma galáxia espiral. Mas também não parece uma galáxia elíptica. Mesmo seus aglomerados globulares são excêntricos: eles são duas vezes maiores que os agrupamentos estelares típicos vistos em outras galáxias. Todas essas esquisitices empalidecem em comparação com o aspecto mais estranho desta galáxia: NGC 1052-DF2 é muito controverso por causa de seu perfil de matéria escura reconstruído e muito debatido. MOND explica perfeitamente, no entanto. (NASA, ESA E P. VAN DOKKUM (UNIVERSIDADE DE YALE))

A matéria escura parece falsa. MOND parece plausível. O que você deve concluir?

Imagine que eu lhe dissesse que tudo o que você já viu, tocou ou experimentou – neste mundo e no Universo além – era apenas uma pequena fração da matéria que está lá fora. Que para cada partícula de matéria normal que existia, havia pelo menos cinco vezes mais, em massa, de uma nova forma de matéria invisível que nunca detectamos diretamente. E que além disso, o Universo também continha uma forma misteriosa de energia que fez com que galáxias distantes subitamente acelerassem e se afastassem de nós cerca de seis bilhões de anos atrás. Quando tudo foi dito e feito, todas as coisas normais eram apenas 5% do total geral.

Você se perguntaria se não tivéssemos algo fundamentalmente errado. Se não tivéssemos enganado algo fundamental, como nossa teoria da gravidade. Este é o cerne do debate sobre a existência de matéria escura. Mas antes de escolher um lado, por mais tentador que seja, vamos pensar no problema.

Nossa galáxia está inserida em um enorme halo difuso de matéria escura, indicando que deve haver matéria escura fluindo através do sistema solar. Mas não é muito, em termos de densidade, e isso torna extremamente difícil detectar localmente. (ROBERT CALDWELL & MARC KAMIONKOWSKI NATURE 458, 587–589 (2009))

Quando se trata de qualquer empreendimento envolvendo o mundo físico, o objetivo é chegar à melhor verdade científica possível. Isso é diferente do que normalmente queremos dizer quando falamos sobre a verdade, onde queremos dizer apenas fazer declarações factuais e não dizer mentiras. Uma verdade científica é mais profunda do que isso: é a melhor descrição da realidade que podemos apresentar para explicar o conjunto completo de evidências disponíveis. Essa palavra que acabei de usar, Descrição , é de suma importância. Uma verdade científica descreverá com precisão todos os fenômenos relevantes para ela. Se a ideia por trás da verdade – a estrutura, modelo ou teoria abrangente – for particularmente forte, pode até fazer novas previsões sobre fenômenos que ainda não observamos. Ele pode nos dizer o que sair e procurar.

Mas temos que ser particularmente cuidadosos, quando testamos, que estamos realmente testando as previsões relevantes e não algum fator de confusão. Se eu levasse uma folha de papel até o topo de um prédio alto e a deixasse para testar a teoria da gravidade, estaria fazendo um péssimo teste. Na presença da atmosfera da Terra, haveria forças adicionais (como a força de arrasto) além da gravidade em jogo, e isso prejudicaria meus resultados. Eu não acharia que a aceleração da gravidade fosse uma constante, porque a força gravitacional não seria a única relevante. Se eu quisesse realizar esse teste com mais precisão, precisaria projetar um experimento que minimizasse a força de arrasto, em relação à gravidade, ou a eliminasse completamente.

O aglomerado de galáxias em coma, o primeiro aglomerado já observado a mostrar suporte para a ideia de matéria escura. (BLOCO DE ADAM/MONTE LEMMON SKYCENTER/UNIVERSIDADE DO ARIZONA)

Quando olhamos para o problema da matéria escura, há duas observações que nos levaram a entender que essa era uma preocupação real.

1. Na década de 1930, Fritz Zwicky mediu os movimentos de galáxias individuais no Aglomerado Coma (acima). Ao estimar a massa das estrelas, ele chegou a um valor para a massa do aglomerado. Ao medir os movimentos das próprias galáxias, ele poderia derivar o que a massa precisava ser para manter o aglomerado gravitacionalmente ligado. Quando as duas medições não coincidiam e era necessária mais massa gravitacional do que a encontrada, isso levou à primeira noção de matéria escura.
2. Na década de 1970, Vera Rubin mediu os movimentos rotacionais de galáxias individuais, descobrindo que os arredores giravam tão rapidamente quanto as regiões internas (abaixo). Quando ela olhou para a quantidade de matéria presente – incluindo estrelas, poeira e gás – eles não descreveram a gravidade necessária para descrever os movimentos. Isso também deu suporte à noção de matéria escura.

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 OF WIKIMEDIA COMMONS)

Ou, fez? No início da década de 1980, Moti Milgrom escreveu um artigo muito interessante, onde observou que o problema da rotação das galáxias poderia ser facilmente resolvido sem matéria escura se você simplesmente fizesse um pequeno ajuste na lei da gravitação de Newton. Se, em vez de usar a lei de força newtoniana normal, você usasse uma versão modificada que incluísse um valor mínimo para aceleração, você poderia descrever com precisão os movimentos internos das galáxias. Talvez a solução não fosse alguma nova forma de matéria, até então não detectada, mas mudar a lei da gravitação. Tudo o que os cientistas precisavam fazer, alguns conjecturaram, era tornar essas modificações – conhecidas como Dinâmica Newtoniana MODificada (MOND) – consistentes com a relatividade de Einstein nas escalas do Sistema Solar. Faça isso, e a esperança é que o resto dos problemas se resolvam sozinhos.

A maneira como as galáxias se agrupam é impossível de alcançar em um universo sem matéria escura. (NASA, ESA, CFHT E M.J. JEE (UNIVERSIDADE DA CALIFÓRNIA, DAVIS))

Mas havia dois grandes, grandes problemas com essa ideia.

O primeiro problema é que as modificações que você faria na lei da gravidade para satisfazer galáxias individuais não satisfariam as observações de aglomerados de galáxias. As observações originais que levaram à hipótese da matéria escura, apresentadas por Zwicky há mais de 80 anos, permanecem inexplicadas pelo MOND ou por qualquer uma de suas alternativas. A parte modificada de MOND não pode ser dimensionada para explicar as medidas gravitacionais que fazemos em escalas maiores; eles realmente só funcionam nas escalas de uma única galáxia.

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. Os efeitos do gás, feedback, formação de estrelas, supernovas e radiação complicam esse ambiente, tornando extremamente difícil extrair previsões universais de matéria escura. (NASA, ESA E T. BROWN E J. TUMLINSON (STSCI))

E o segundo problema é que os ambientes das próprias galáxias individuais são um teste incrivelmente sujo e contaminado de matéria escura. Mesmo sendo um ótimo laboratório para testar o MOND, o fato de existir:

• uma densidade tão grande de matéria normal em comparação com a matéria escura nas regiões internas,
• interação entre a radiação e a matéria normal e escura,
• dinâmicas confusas e não lineares e mecanismos de feedback em jogo,
• e muitas outras forças além das gravitacionais que são importantes nestas escalas,

significa que, embora as previsões galácticas de MOND sejam claras, as previsões de matéria escura são obscuras nas escalas de galáxias individuais.

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, a densidade da matéria escura e até o índice espectral escalar. Os resultados concordam com os dados do Planck. (ZÓSIA ROSTOMIA)

Se você adicionar um novo ingrediente ao Universo, como a matéria escura, a maneira como você faz previsões sobre isso é simular o Universo em grandes escalas. Quando você adiciona um novo ingrediente, muitos observáveis ​​cósmicos mudam de maneiras facilmente quantificáveis ​​que levam a previsões claras e sinais claros. É como deixar cair uma folha de papel ou uma pena na superfície da Lua, e não na Terra; você medirá o que pretende medir, em vez dos efeitos contaminantes e confusos que podem atrapalhar. O melhor laboratório para isso? Examinando as estruturas em grande escala presentes no Universo.

Os resultados finais da colaboração do Planck mostram uma extraordinária concordância entre as previsões de uma cosmologia rica em energia escura/matéria escura (linha azul) com os dados (pontos vermelhos, barras de erro pretas) da equipe do Planck. Todos os 7 picos acústicos se ajustam extraordinariamente bem aos dados, mas se você remover a matéria escura, não há como fazê-los corresponder. (RESULTADOS PLANCK 2018. VI. PARÂMETROS COSMOLÓGICOS; COLABORAÇÃO PLANCK (2018))

Isso inclui:

• o brilho restante do Big Bang: o Fundo de Microondas Cósmica e as minúsculas flutuações presentes nele,
• os movimentos de galáxias individuais dentro de aglomerados, como os movimentos medidos por Fritz Zwicky,
• as correlações entre onde as galáxias estão localizadas em escalas que variam de algumas centenas de milhões a muitos bilhões de anos-luz,
• as localizações da matéria normal e um sinal gravitacional após uma colisão cósmica massiva,
• e a forma, crescimento e estrutura da teia cósmica, incluindo vazios, filamentos e seus nexos.

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 nenhuma matéria escura (R). As diferenças no número de picos, bem como as alturas e localizações dos picos, são facilmente observadas. (E. SIEGEL / CMBFAST)

O mais impressionante é que as previsões da matéria escura foram feitas pela primeira vez nas décadas de 1970 e 1980, e foram confirmadas observacionalmente mais tarde. Este não é o caso de ajustar o modelo para ajustar os dados; este é um caso do melhor tipo de ciência que você espera: onde você faz previsões, faz as observações, e o que você vê valida e confirma as previsões que você fez.

E, no entanto, mesmo 35 anos depois, não há modificações da gravidade que alcancem os sucessos em escala galáctica do MOND que também expliquem essas outras observações. Os melhores testes de matéria escura versus MOND, que estão em grandes escalas cósmicas, têm um vencedor claro e um perdedor claro.

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. 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))

A chamada guerra de matéria escura vs. gravidade modificada, conforme destacado em A história da Scientific American de agosto por Sabine Hossenfelder e Stacey McGaugh , configura uma falsa narrativa de um debate entre esses dois campos. Claro, nas escalas de uma galáxia individual, o MOND descreve muito bem os movimentos internos e os movimentos de galáxias satélites muito pequenas, e a matéria escura se esforça para fazê-lo. Isso pode ser porque algo é falho sobre a matéria escura, porque não existe matéria escura, ou pode ser porque não entendemos completamente esses ambientes confusos com a precisão necessária para fazer boas previsões sobre a matéria escura.

As observações em maior escala no Universo, desde o fundo cósmico de micro-ondas até a teia cósmica, aglomerados de galáxias e galáxias individuais, todas requerem matéria escura para explicar o que observamos. (CHRIS BLAKE E SAM MOORFIELD)

Mas estes não são os testes decisivos para a matéria escura. Os cosmológicos são.

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 ARXIV.ORG/ABS/1112.1320 )

Os testes nas maiores escalas nos dão os melhores testes para a matéria escura. E esses são os que a matéria escura não apenas passa universalmente, mas que o MOND falhou espetacularmente, em todos os aspectos, nos últimos 35 anos. Entre os cosmólogos*, não há debate, pois não há alternativa à matéria escura que reproduza os sucessos observados.

A teia cósmica é impulsionada pela matéria escura, que pode surgir de partículas criadas no estágio inicial do Universo que não se decompõem, mas permanecem estáveis ​​​​até os dias atuais. (RALF KAEHLER, OLIVER HAHN E TOM ABEL (KIPAC))

Nas escalas de grupos de galáxias, aglomerados de galáxias individuais, aglomerados de galáxias em colisão, a teia cósmica e a radiação remanescente do Big Bang, as previsões do MOND não correspondem à realidade, enquanto a matéria escura é bem-sucedida de forma espetacular. É possível, e talvez até provável, que algum dia entendamos o suficiente sobre a matéria escura para entender por que e como surge o fenômeno MOND nas escalas de galáxias individuais. Mas quando você olha para o conjunto completo de evidências, a matéria escura é praticamente uma certeza científica. É somente se você ignorar toda a cosmologia moderna que a alternativa da gravidade modificada parece viável. Ignorar seletivamente a evidência robusta que o contradiz pode ganhar um debate aos olhos do público em geral. Mas no campo científico, as evidências já decidiram o assunto, e 5/6 delas são obscuras.

* — Divulgação completa: o autor desta peça é Ph.D. em cosmologia teórica.

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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