O Universo Seria Muito Diferente Sem Matéria Escura

Um mapa 3D da distribuição da matéria escura no cosmos. Ao medir a forma média das galáxias em todo o Universo, os cientistas podem detectar se existem distorções devido apenas à presença de massa intermediária. Essa técnica, de lentes gravitacionais fracas, é como medimos a distribuição da matéria escura no cosmos. (NASA/ESA/RICHARD MASSEY (INSTITUTO DE TECNOLOGIA DA CALIFÓRNIA))

É realmente a “cola” que mantém o Universo unido, permitindo que estruturas como a nossa própria galáxia se formem em primeiro lugar.


Um dos fatos mais intrigantes e contra-intuitivos sobre o Universo é que todas as coisas que nos são familiares em nosso dia-a-dia na Terra representam apenas 5% de tudo o que existe por aí. Os prótons, nêutrons e elétrons que compõem toda a matéria normal encontrada em nossos corpos, no planeta, no Sistema Solar e em toda a galáxia compõem apenas uma fração do que está lá fora. Mesmo quando você orça em tudo o que já detectamos – neutrinos, luz e até buracos negros – deixa de fora 95% de tudo o que deve estar lá fora: matéria escura (27%) e energia escura (68%).



A matéria escura, em particular, é um dos maiores mistérios de todos. Os astrofísicos estão praticamente certos de que deve existir, pois a evidência indireta para isso de todo um conjunto de medições independentes é esmagadora. Como nunca detectamos diretamente qualquer partícula que possa ser responsável por isso, muitas pessoas – especialistas e leigos – permanecem céticas em relação à sua existência. Mas se o nosso Universo não tivesse matéria escura, seria um lugar muito diferente. Aqui está como.





Nos estágios iniciais do Universo quente, denso e em expansão, uma enorme quantidade de partículas e antipartículas foi criada. À medida que o Universo se expande e esfria, uma quantidade incrível de evolução acontece, mas os neutrinos criados no início permanecerão praticamente inalterados de 1 segundo após o Big Bang até hoje. (LABORATÓRIO NACIONAL DE BROOKHAVEN)

13,8 bilhões de anos atrás, o Big Bang quente ainda teria ocorrido. Partículas e antipartículas teriam sido criadas e destruídas em grande abundância, deixando uma pequena quantidade de prótons, nêutrons e elétrons sobrando em meio a um mar de radiação. No início do Universo, é tão quente, denso e energético que prótons e nêutrons podem se fundir para formar elementos pesados ​​pela primeira vez, com partículas e fótons energéticos trabalhando contra esse processo, explodindo núcleos atômicos fundidos novamente.



Sem outros ingredientes em jogo, há apenas um fator que determinará com que tipos de elementos o Universo – antes mesmo de formar qualquer estrela – será preenchido: a proporção de quantos fótons (ou quanta de luz) existem para cada bárion (prótons e nêutrons combinados) no Universo. Se você tem matéria escura ou não, é irrelevante; este é o único fator que determina quanto hidrogênio, hélio, lítio, etc., são criados no quente Big Bang.



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. Observe o ponto-chave aqui: uma boa teoria científica (Big Bang Nucleosynthesis) faz previsões robustas e quantitativas para o que deveria existir e ser mensurável, e as medidas (em vermelho) se alinham extraordinariamente bem com as previsões da teoria, validando-a e limitando as alternativas . As curvas e a linha vermelha são para 3 espécies de neutrinos; mais ou menos levam a resultados que conflitam severamente com os dados, particularmente para deutério e hélio-3. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Mas uma vez que os primeiros minutos se passaram, a presença ou ausência de matéria escura torna-se extremamente importante. O Universo primitivo é quase perfeitamente uniforme, com aproximadamente a mesma densidade média em todo o espaço. Mas existem flutuações minúsculas – imperfeições no Universo – que gravitacionalmente crescerão com o tempo, eventualmente dando origem a estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias e estruturas ainda maiores.



A gravidade trabalha para colapsar a matéria no Universo, enquanto a radiação empurra de volta essas estruturas densas, trabalhando para separá-las. Se tudo o que você tivesse no Universo fosse matéria normal e essa radiação, isso levaria a uma enorme quantidade de estrutura em certas escalas, ao mesmo tempo em que exterminaria todas as estruturas em outras escalas. Este efeito é maximizado em um Universo sem 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 três ingredientes: matéria escura, matéria normal e radiação. Se não houvesse matéria escura, as correlações entre onde as galáxias estão e onde não estão seriam muito mais fortes, como ilustrado acima, do que realmente aparecem em nosso Universo. (ZÓSIA ROSTOMIA)



O Universo ainda se expandiria e esfriaria enquanto tudo isso ocorresse, o que significa que as menores escalas cósmicas experimentarão esse fenômeno de colapso e retrocesso em momentos anteriores às maiores escalas cósmicas. Esse efeito é extremamente importante antes que o Universo esfrie o suficiente para formar átomos neutros, o que significa que um mapa das flutuações no brilho remanescente do Big Bang - o fundo cósmico de microondas - revelará essas oscilações.



Em particular, você pode medir as diferenças de temperatura entre quaisquer dois locais e ver como a diferença média varia dependendo da distância entre esses dois locais. Os efeitos desse colapso e retrocesso, o que os cientistas chamam de oscilações acústicas bariônicas, aparecerão nesse padrão de flutuações.

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. Observe as diferenças de escala no eixo y entre os dois gráficos. (E. SIEGEL / CMBFAST)



Uma vez que os átomos neutros se formam, o retrocesso da radiação para e a gravitação é livre para fazer o que faz de melhor: atrair todas as massas do Universo para todas as outras massas do Universo. Nuvens de gás se formariam, colapsariam e criariam as primeiras estrelas do Universo, da mesma forma que fazem em nosso Universo rico em matéria escura.

Mas sem os efeitos gravitacionais adicionais que a matéria escura adiciona, essas primeiras estrelas causariam uma catástrofe. As estrelas não emitem apenas luz visível, mas também grandes quantidades de radiação ultravioleta e ionizante. Eles emitem jatos de partículas e sopram grandes quantidades de matéria em movimento rápido na forma de ventos estelares. E para as primeiras estrelas de todas, que são muito mais massivas que as estrelas de hoje, esses efeitos são ainda mais severos.



Estrelas jovens ultraquentes às vezes podem formar jatos, como este objeto Herbig-Haro na Nebulosa de Órion, a apenas 1.500 anos-luz de distância de nossa posição na galáxia. A radiação e os ventos de estrelas jovens e massivas podem dar enormes impulsos à matéria circundante. (ESA / HUBBLE & NASA, D. PADGETT (GSFC), T. MEGEATH (UNIVERSIDADE DE TOLEDO) E B. REIPURTH (UNIVERSIDADE DO HAVAÍ))

Sem a matéria escura, os efeitos conjuntos dos ventos estelares e da radiação ultravioleta dariam um impulso tão forte à matéria circundante que ela não seria apenas soprada de volta para o meio interestelar, mas se tornaria totalmente gravitacionalmente desvinculada do aglomerado de estrelas massivo que apenas formado.

Quando essas estrelas evoluem e morrem, o que provavelmente significa uma supernova para a maioria dessas estrelas de primeira geração, o material ejetado dessas estrelas se move tão rapidamente que - novamente, sem matéria escura - elas se tornam gravitacionalmente livres do material restante que entrou em colapso para se formar essas estrelas em primeiro lugar. Ao contrário do nosso Universo, onde o material que foi fundido em uma geração de estrelas é reciclado na próxima geração, essa primeira geração de estrelas pode muito bem ser o fim da linha sem matéria escura.

A Nebulosa do Caranguejo, mostrada aqui com dados de cinco observatórios diferentes, mostra como o material é ejetado de uma supernova. O material mostrado aqui abrange cerca de 5 anos-luz de extensão, originando-se de uma estrela que se transformou em supernova há cerca de 1.000 anos, ensinando-nos que a velocidade típica do material ejetado é de cerca de 1.500 km/s. (NASA, ESA, G. DUBNER (IAFE, CONICET-UNIVERSIDADE DE BUENOS AIRES) ET AL.; A. LOLL ET AL.; T. TEMIM ET AL.; F. SEWARD ET AL.; VLA/NRAO/AUI/NSF ; CHANDRA/CXC; SPITZER/JPL-CALTECH; XMM-NEWTON/ESA; E HUBBLE/STSCI)

Em escalas cósmicas menores, isso significa que os únicos sistemas solares que existem serão enormemente simplistas. Sem a capacidade de reciclar os elementos de uma geração de estrelas para a próxima, isso significa que você não terá os elementos pesados ​​necessários para formar planetas rochosos em seus discos protoplanetários. Sem grandes abundâncias de carbono, nitrogênio, oxigênio e elementos ainda mais pesados ​​como silício, fósforo, cobre e ferro, não apenas a vida seria uma impossibilidade, mas os únicos planetas que você poderia formar seriam mundos gasosos compostos de hidrogênio e hélio.

Além disso, sem esses elementos mais pesados ​​para ajudar a resfriar as proto-estrelas à medida que se formam, as estrelas que existem serão muito menores em número, mas maiores em massa. Hoje, a estrela média no Universo tem cerca de 40% da massa do Sol; sem matéria escura, a estrela média teria aproximadamente 10 vezes a massa do nosso Sol.

Em um universo sem matéria escura, as estrelas e planetas seriam extremamente diferentes dos que vemos e conhecemos hoje. A estrela média seria muito mais massiva que o nosso Sol, enquanto os planetas típicos seriam apenas gigantes gasosos, sem elementos pesados ​​capazes de formar núcleos rochosos. (NASA/AMES/JPL-CALTECH)

Nas escalas de galáxias semelhantes à Via Láctea, ainda haveria grandes coleções de massa que formavam discos, e esses discos ainda girariam e estariam repletos de estrelas. Mas sem matéria escura, essas galáxias exibiriam duas grandes diferenças em relação às galáxias que vemos hoje.

  1. Sem matéria escura, as galáxias perderiam uma grande fração do gás que forma novas estrelas imediatamente após o primeiro grande evento de formação de estrelas que experimentaram. O gás ainda poderia afunilar para eles a partir de pequenas fusões e do meio intergaláctico circundante, mas eles teriam muito menos material que forma novas estrelas do que as galáxias modernas.
  2. Galáxias espirais, sem matéria escura, girariam como nosso Sistema Solar: com os objetos internos girando muito mais rapidamente em torno do centro do que os objetos externos.

O fato de a esmagadora maioria das galáxias ter curvas de rotação planas, onde os objetos externos se movem com a mesma velocidade que os internos, é outra consequência da matéria escura em nosso Universo.

Uma galáxia governada apenas por matéria normal (L) exibiria velocidades de rotação muito mais baixas nos arredores do que em direção ao centro, semelhante à forma como os planetas do Sistema Solar se movem. No entanto, as observações indicam que as velocidades de rotação são amplamente independentes do raio (R) do centro galáctico, levando à inferência de que uma grande quantidade de matéria invisível ou escura deve estar presente. O que não é muito apreciado é que sem matéria escura, a vida como a conhecemos não existiria. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS INGO BERG/FORBES/E. SIEGEL)

Em escalas cósmicas maiores, haveria dramaticamente menos estrutura em geral. Em um Universo sem matéria escura, não há esqueleto invisível na teia cósmica; em vez disso, a estrutura se forma com base apenas na força da matéria normal. Isso significa que, em vez de uma teia cósmica, onde você acaba com galáxias pontilhando os filamentos que conectam os grandes aglomerados do Universo, você acaba com ilhas isoladas de galáxias de tamanho médio, com pouco mais.

Claro, algumas galáxias ainda se agrupariam e se agrupariam, mas haveria muito menos delas em um Universo sem matéria escura. Observações da estrutura em larga escala do Universo seriam enormemente diferentes por cada métrica mensurável, desde sinais de lentes gravitacionais fracos e fortes até colisões de grupos de galáxias e o espectro de energia do Universo.

A formação da estrutura cósmica, tanto em grande quanto em pequena escala, é altamente dependente de como a matéria escura e a matéria normal interagem, bem como as flutuações iniciais de densidade que têm sua origem na física quântica. As estruturas que surgem, incluindo aglomerados de galáxias e filamentos de maior escala, são consequências indiscutíveis da matéria escura. (COLABORAÇÃO ILLUSTRIS / SIMULAÇÃO ILLUSTRIS)

Finalmente, as menores galáxias de todas – aquelas que contêm apenas centenas ou milhares de estrelas – não seriam capazes de existir. Em nosso Universo, eles surgiram de um aglomerado de matéria normal e escura de aproximadamente 100.000 massas solares, onde um episódio de formação estelar ejetou o gás. Ainda assim, a matéria escura persistiu e mantém as estrelas unidas em sua própria estrutura até os dias atuais. Em um Universo sem matéria escura, esse mesmo episódio de formação de estrelas explodiria a proto-galáxia completamente, deixando apenas uma enorme quantidade de estrelas individuais e não ligadas para trás.

Existem muitas linhas de evidência diferentes que apontam para a existência da matéria escura, mas talvez seja um pouco mais interessante considerar todas as maneiras pelas quais nosso Universo seria diferente – e inconsistente com o que observamos – se não tivesse matéria escura. Se você gosta do fato de que o Universo é mantido unido, você tem a matéria escura para agradecer por isso. Mesmo que você não acredite nisso, é um ingrediente chave no Universo que o levou até você.


Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. 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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