Retrocesso quinta-feira: O pouco de matéria escura que conhecemos
Crédito da imagem: V. Springel no Instituto Max-Planck em Garching.
A matéria escura compõe a grande maioria da massa no Universo, e a maior parte é desconhecida. Mas não toda ela.
Um mistério cósmico de imensas proporções, uma vez aparentemente à beira da solução, aprofundou-se e deixou os astrônomos e astrofísicos mais perplexos do que nunca. O ponto crucial… é que a grande maioria da massa do universo parece estar faltando. – William J. Broad
Foi na década de 1930, olhando para densos aglomerados de galáxias (como Comer , abaixo), que Fritz Zwicky notou pela primeira vez que a massa no Universo não somava.
Crédito da imagem: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / University of Arizona.
Sabíamos como a gravidade funcionava, então era bastante simples - com base em como as galáxias dentro do aglomerado estavam se movendo - calcular a massa total desse aglomerado.
Era Além disso simples, porque sabíamos como estrelas trabalhou também para calcular quanta massa havia em todas as estrelas em todas as galáxias que compunham o aglomerado. Tudo o que você precisava fazer era medir a luz das estrelas, e aí estava: duas maneiras diferentes de medir a massa do mesmo conjunto de objetos.
Crédito da imagem: NASA, ESA e a equipe Hubble SM4 ERO.
Pelo menos, você esperar esses dois números para combinar, se as estrelas fossem o que compunha a massa no universo . Acontece que não é o caso, e não é próximo: os dois números que você obtém para a massa - o da gravidade e o da luz das estrelas - diferem por um fator de cinquenta .
Tudo bem, você diz. Porque sempre há muito mais do que estrelas por aí.
Crédito da imagem: Carsten A. Arnholm, ou NGC 206, via http://arnholm.org/ .
A matéria não apenas se aglomera em estrelas, mas também planetas, gás, poeira, plasma, asteroides, cometas, gelo e – de vez em quando – criaturas vivas. Então você pode imaginar que essa massa perdida lá fora, os outros 98%, eram alguma outra forma de prótons, nêutrons e elétrons como as estrelas.
Na verdade, temos três maneiras completamente independentes de medir, com muita precisão, quanto do Universo é feito desse material normal com o qual estamos familiarizados.
Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP.
Podemos rastrear a física do Universo primitivo até os primeiros minutos após o Big Bang e calcular quanto dos elementos leves – hidrogênio, hélio, lítio e seus isótopos – deveriam ter sido criados durante esse período da Nucleossíntese do Big Bang ( BBN). Depende de um parâmetro e um parâmetro só : a razão do número de bárions (prótons e nêutrons combinados) para fótons (que podemos contar). Então, medimos os elementos leves e obtemos um número para quantos prótons e nêutrons (e como o Universo é neutro, também conhecemos os elétrons) que existem no Universo.
Crédito da imagem: Planck Colaboração: P. A. R. Ade et al., 2013, A&A Preprint.
Podemos observar o padrão de flutuações no Fundo Cósmico de Microondas (CMB). As posições e alturas dos diferentes picos nos dizem dois coisas: quanto normal matéria (prótons, nêutrons e elétrons) existe no Universo, bem como quanto total matéria (todas as coisas com uma massa gravitacional, combinadas) existe.
Novamente, obtemos um número.
Crédito da imagem: A. Sanchez / Sparke / Gallagher, 2007.
E, finalmente, podemos olhar para o Universo nas maiores escalas. Podemos observar como galáxias, aglomerados e superaglomerados de galáxias se agrupam e sondar a Estrutura de Grande Escala do Universo (LSS). A amplitude dessas oscilações - assim como a altura geral deste gráfico (o poder) - nos dá uma maneira diferente de medir essas mesmas duas coisas: a quantidade de normal matéria e a quantidade de matéria total.
O que encontramos está em notável concordância. Todas as três medidas (BBN, CMB e LSS) dão os mesmos valores: cerca de 15% da quantidade total de matéria - incluindo os 2% que estão nas estrelas - é normal matéria, e o restante, cerca de 85%, é matéria que não emite nem absorve luz. Acrescente o fato de que toda essa matéria combinada é pouco mais de 30% da energia total do Universo (com o restante sendo energia escura), e descobrimos que menos de 5% do Universo é composto de matéria normal, usando três medições independentes .
Crédito das imagens: colaboração ESA / Planck; P. A. R. Ade et al., 2013, A&A Preprint; anotações por mim.
Então, o que é essa matéria escura? O que é aquilo ausência de massa que não interage com a luz?
Acredite ou não, há uma partícula candidata - a segundo tipo mais abundante de partícula conhecida no Universo — que chega até nós diretamente, resquício do Big Bang: o neutrino!
Crédito da imagem: Fermi National Accelerator Laboratory (Fermi Lab), modificado por mim.
Os pares partícula-antipartícula foram todos criados no Universo primitivo indiscriminadamente e em grande abundância, e houve um tempo em que as temperaturas e densidades eram tão altas que até o humilde neutrino (e o antineutrino) foram criados nessa mesma grande abundância.
Mas quando o Universo era muito jovem - cerca de um único segundo após o Big Bang - os neutrinos congelou , o que significa que as temperaturas e densidades caíram o suficiente para que eles parassem de interagir com outras formas de matéria e consigo mesmos. Se os neutrinos fossem completamente sem massa, eles teriam um espectro de energia e distribuição muito semelhante aos fótons remanescentes do Big Bang – o Fundo de Microondas Cósmica – tem hoje.
Crédito da imagem: equipe científica da NASA/COBE (L); imagem de domínio público desconhecida (R).
Haveria pequenas diferenças: os neutrinos estariam a uma temperatura ligeiramente mais baixa (1,96 K), teriam apenas cerca de 2/3 da energia total dos fótons (devido às diferenças de temperatura e estatísticas de partículas), e haveria pouco menos de 300 deles permeando cada centímetro cúbico do Universo. este foi o caso - que seu comportamento era análogo a este - quando o CMB foi emitido pela primeira vez, e é por isso que conseguimos detectar as assinaturas desses neutrinos no CMB !
Mas isso supondo que os neutrinos fossem sem massa ; se eles tivessem uma massa - mesmo que essa massa fosse pequena em comparação com as outras partículas conhecidas - a expansão e o resfriamento do Universo poderiam ter deixado esses neutrinos cósmicos, superando os prótons em mais de um bilhão para um, como a fonte de massa primária Do universo!
Crédito da imagem: Hitoshi Murayama de http://hitoshi.berkeley.edu/ .
Se os neutrinos – e lembre-se, existem três tipos diferentes, todos em igual abundância entre si – tivessem uma massa de apenas 3,7 eV cada (e lembre-se, a próxima partícula mais leve, o elétron, tem uma massa de cerca de 511.000 eV) , então 100% da matéria escura teria sido explicada por neutrinos. Na verdade, não importava como foi distribuído; contanto que as massas dos três tipos de neutrinos (e, μ e τ) tivessem somado 11,2 eV, eles teriam sido todos da matéria escura.
Então um pouco poderia percorreram um caminho muito, muito longo!
Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck.
Mas mesmo a teoria mais bonita, no final do dia, tem que lidar com o Universo como ele realmente existe. A partir de medições da radiação cósmica de fundo, de onde vem a restrição mais forte, descobrimos que o limite superior da soma das massas dos três tipos de neutrinos é de apenas 0,18 eV, o que significa que um máximo de 1,6% da matéria escura está na forma de neutrinos.
Image credit: Hiroshi Nunokawa, of Braz. J. Phys. vol.30 no.2 São Paulo June 2000.
E a partir de observações de oscilações de neutrinos, sabemos que há um limite inferior nas somas das massas dos neutrinos: 0,06 eV , significa que pelo menos 0,55% da matéria escura está na forma de neutrinos.
Os neutrinos estavam se movendo rapidamente quando o Universo era mais jovem, o que significa que é uma forma de quente matéria escura. A matéria escura que estava se movendo lentamente quando o Universo era mais jovem era mais fria, e diferentes estruturas se formam em diferentes escalas no Universo, dependendo se a matéria escura é quente, quente ou fria.
De cima: Simulações de matéria escura fria, quente e quente, crédito ITP, Universidade de Zurique.
Enquanto a estrutura em grande escala nos diz que a grande maioria da matéria escura deve ser fria ou quente , sabemos que há é um pouquinho de matéria escura quente, e é isso que os neutrinos são! Assim, enquanto a estrutura de grande escala no Universo concorda (dentro dos erros mensuráveis) com matéria escura fria (MDL, na figura abaixo), sabemos que há uma pequena mistura - entre 0,55% e 1,6% - de Matéria Escura Quente, em a forma de neutrinos, jogados lá!
Crédito da imagem: John Peacock, através do tutorial de cosmologia de Ned Wright.
Agora, obter os outros 98,4 a 99,45% de matéria escura não bariônica provou ser evasivo até agora, e estamos procurando a sério. Mas os neutrinos – a única forma de matéria escura além dos bárions que conhecemos – não são apenas a ponta do iceberg da matéria escura, eles são na verdade a só pouco de matéria escura que conhecemos e entendemos hoje! Olhando para toda a matéria no Universo, veja como ela é composta:
Crédito da imagem: E. Siegel, criado em http://nces.ed.gov/ .
Cerca de 15,5% é matéria normal: material feito de prótons, nêutrons e elétrons em todas as suas diferentes formas.
Entre 0,5% e 1,4%, de toda a matéria total, são neutrinos: as partículas com a menor massa diferente de zero conhecida no Universo, superando prótons, nêutrons e elétrons em mais de um bilhão para um.
E, infelizmente, cerca de 83% do Universo é alguma outra forma de matéria escura, que deve ser fria ou quente (e não quente), e que ainda não encontramos.
E essa é a história do pouco de matéria escura que conhecemos!
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