• Começa Com Um Estrondo

Por que os cientistas não são mais céticos em relação à matéria escura?

A impressão deste artista representa concentrações em pequena escala de matéria escura no aglomerado de galáxias MACSJ 1206. Os astrônomos mediram a quantidade de lentes gravitacionais causadas por este aglomerado para produzir um mapa detalhado da distribuição de matéria escura nele. (ESA/HUBBLE, M. KORMESSER)

Você pode estar inclinado a modificar a gravidade, mas essas ideias têm evidências grosseiramente desiguais que as sustentam.

O que exatamente você deve fazer quando as previsões de suas melhores teorias científicas não correspondem ao que você observa? O primeiro passo é reproduzir seus resultados de forma independente, garantindo que você não cometeu um erro. O segundo passo é descobrir se esse descompasso ocorre para uma ampla variedade de condições, quantificando-o na tentativa de aprender exatamente o que isso significa. E o terceiro passo – se você for ousado o suficiente – é tentar encontrar uma explicação teórica que traga as coisas de volta aos eixos.

Em geral, existem apenas duas explicações teóricas que valem a pena considerar: ou você errou as regras e elas precisam ser modificadas do que você pensava que eram antes dessas medições críticas, ou você errou os ingredientes e algo mais está em jogo acima e além do que você considerou anteriormente. No entanto, quando se trata do problema dos efeitos gravitacionais baseados na matéria que vemos não corresponder às nossas previsões, os cientistas quase sempre invocam a matéria escura e raramente consideram alterar a lei da gravidade: a Relatividade Geral. Parece injusto na superfície, mas há uma razão muito convincente pela qual os profissionais fazem isso. Há uma razão pela qual os cientistas aceitam tanto a matéria escura, e é hora de o resto de nós saber exatamente o porquê.

Dentro do Sistema Solar, os planetas, asteróides e outros corpos orbitam o Sol em uma trajetória elíptica, com os objetos em órbitas mais próximas movendo-se em velocidades mais rápidas do que os objetos em órbitas maiores e mais distantes. Enquanto Mercúrio orbita o Sol em apenas 88 dias e Netuno leva cerca de 700 vezes mais tempo para completar uma revolução, a velocidade bruta de Mercúrio é superior a 40 km/s, enquanto a de Netuno é de apenas 5,4 km/s. (NASA / JPL-CALTECH / R. HURT)

Se voltarmos a 1800, podemos encontrar facilmente dois exemplos de uma versão mais antiga desse problema exato. Dentro do nosso Sistema Solar, as leis da gravidade de Newton eram conhecidas por serem incrivelmente bem-sucedidas. Eles explicaram, sem nenhum erro maior que a precisão de nossas medidas, as órbitas de cada corpo celeste. Do sistema Terra/Lua às órbitas dos planetas, asteróides e cometas ao redor do Sol às luas de outros planetas, as equações de Newton previam as posições e velocidades de cada um desses objetos corretamente.

Mas em meados do século 19, dois problemas começaram a surgir. O primeiro foi Urano. Nossos planetas estiveram ao redor e foram rastreados com precisão por um tempo muito longo, exceto Urano, que foi descoberto pela primeira vez em apenas 1781. na década de 1820, esse fenômeno desapareceu, à medida que o planeta se movia na velocidade correta. Talvez essas medições anteriores estivessem erradas. Foi apenas na década de 1830 e além que os cientistas ficaram alarmados, pois Urano começou a viajar na velocidade errada novamente: desta vez, muito devagar.

Durante décadas, observou-se que Urano se movia muito rápido (L), depois na velocidade correta (centro) e depois muito devagar (R). Isso seria explicado na teoria da gravitação de Newton se houvesse um mundo adicional, externo e maciço puxando Urano. Nesta visualização, Netuno está em azul, Urano em verde, com Júpiter e Saturno em ciano e laranja, respectivamente. Foi um cálculo realizado por Urbain Le Verrier que levou diretamente à descoberta de Netuno em 1846. (MICHAEL RICHMOND OF R.I.T.)

Independentemente, dois cientistas - Urbain Le Verrier (na França) e John Couch Adams (na Inglaterra) - tiveram a mesma ideia: talvez houvesse um planeta adicional além de Urano, e talvez sua influência gravitacional cause essas velocidades anômalas. Em particular:

1. quando o planeta exterior mais lento está à frente de Urano, ele puxa Urano para frente em sua órbita, fazendo com que ele acelere,
2. quando Urano começa a ultrapassar o mundo exterior, ele se acelera para fora (ao longo da linha de visão), o que não pode ser observado,
3. e uma vez que Urano passa pelo planeta exterior, o puxão gravitacional o puxa para trás, fazendo com que ele desacelere.

Le Verrier enviou a previsão correta ao observatório de Berlim em 1846, onde Netuno foi descoberto na mesma noite em que a carta chegou. Neste caso, a matéria escura foi bem sucedida.

Ao mesmo tempo, a órbita de Mercúrio também não correspondia às previsões de Newton, com muitos astrônomos realizando buscas por um planeta interno, Vulcano, considerado o responsável. Mas Vulcano acabou não existindo! Em vez disso, a formulação da Relatividade Geral de Einstein, uma nova teoria da gravidade para substituir Newton publicada em 1915, apontou o caminho a seguir. Desta vez, modificar a lei da gravidade foi a solução correta.

De acordo com duas teorias gravitacionais diferentes, quando os efeitos de outros planetas e o movimento da Terra são subtraídos, as previsões de Newton são para uma elipse vermelha (fechada), contrariando as previsões de Einstein de uma elipse azul (precessiva) para a órbita de Mercúrio. As observações favoreceram Einstein, um indicador precoce de que a Relatividade Geral era mais correta do que a gravidade newtoniana. (USUÁRIO WIKIMEDIA COMMONS KSMRQ)

Então, por que estamos tão certos de que modificar a lei da gravidade é uma abordagem inferior à hipótese de uma nova forma de massa no Universo? Parece uma escolha prejudicial na superfície, pois diante de nossa ignorância cósmica, devemos estar abertos a todas as possibilidades igualmente.

É verdade, em certo sentido: se houvesse apenas um problema ou quebra-cabeça a considerar, ambas as opções seriam igualmente razoáveis ​​como soluções potenciais. Se você considerar um sistema como uma galáxia individual e medir a matéria presente – estrelas, gás, poeira, plasma, etc. – chegará a uma previsão de como os vários objetos dentro dessa galáxia devem orbitar em torno de seu centro.

Novamente, encontramos uma incompatibilidade entre o que a teoria prevê e o que realmente observamos. Quanto mais nos afastamos do centro galáctico, mais lentas devem ser as velocidades de rotação. Mas quando medimos o que realmente observamos, descobrimos que as velocidades de rotação não obedecem a essa regra e são muito altas na borda. Este é um fato observacional que é verdade para galáxias espirais em geral (e muitas não espirais também), e é frequentemente usado como evidência de matéria escura.

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. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS INGO BERG/FORBES/E. SIEGEL)

Por si só, no entanto, isso não é uma evidência particularmente boa para a matéria escura. A razão é esta: é igualmente plausível, para este tipo de sistema, que

• há um ingrediente ausente no Universo responsável por essa influência gravitacional adicional, e que ele não interage com a luz ou a matéria (normal), o que explica por que é invisível,
• ou não há ingredientes ausentes no Universo e, em vez disso, a lei da gravidade, que foi tão bem testada em escalas de laboratório, terrestres e do Sistema Solar, pode falhar em escalas cósmicas ainda maiores.

Se esta fosse a única evidência que possuíssemos, seria terrivelmente frágil. As galáxias têm diferentes massas, velocidades de rotação, históricos de formação, quantidades de formação de estrelas, etc. Qualquer uma dessas opções oferece uma boa estrutura conceitual para entender o que está acontecendo, com cada uma apresentando desafios quantitativos únicos para esse problema específico.

Um aglomerado de galáxias pode ter sua massa reconstruída a partir dos dados de lentes gravitacionais disponíveis, como mostrado aqui. 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. Se uma modificação na gravidade for substituída pela matéria escura, essa observação também precisaria ser explicada. (A. E. EVRARD. NATURE 394, 122–123 (09 DE JULHO DE 1998))

O que temos que fazer, se queremos ser cientistas responsáveis, é examinar as implicações e consequências dessas soluções potenciais para o resto do Universo.

Podemos conceber uma modificação da gravidade, se formos inteligentes o suficiente, que se comporte como as leis da gravidade de Einstein em escalas do tamanho do Sistema Solar e abaixo, mas onde um comportamento adicional aparece em escalas maiores para explicar o que vemos para as galáxias. Essa modificação, então, precisa ser aplicada ao restante do Universo, e tem que explicar a dinâmica dos aglomerados de galáxias, a teia cósmica que se forma e todos os fenômenos que aparecem em escalas maiores.

Da mesma forma, podemos supor a adição de um ingrediente adicional – alguma forma de matéria escura que não interage muito (ou nada) com a luz, com a matéria normal e consigo mesma – e explicar a dinâmica das galáxias dessa maneira. Esse ingrediente adicional seria muito difuso para afetar escalas do tamanho do Sistema Solar e abaixo, mas poderia afetar significativamente as escalas maiores. Novamente, teríamos que aplicar isso ao restante do Universo e procurar as implicações cósmicas.

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. Em escalas cósmicas maiores e em épocas anteriores, tais complicações não estão presentes. (NASA, ESA E T. BROWN E J. TUMLINSON (STSCI))

Este tem sido, tradicionalmente (por quase os últimos 40 anos), onde tentativas de modificações na gravidade desmoronam, mas onde a matéria escura realmente brilha em seus sucessos.

A modificação mais simples que você pode fazer na lei da gravidade - MOND, para MODified Newtonian Dynamics - permite que você preveja corretamente as curvas de rotação de uma ampla variedade de galáxias, todas com a mesma modificação universal da gravitação. Mas quando você aplica essa modificação em escalas cósmicas maiores, os sucessos cessam. As velocidades que você prevê para galáxias individuais se movendo em um aglomerado de galáxias estão todas erradas; uma modificação adicional é necessária para obter esses direitos. As previsões para a estrutura na teia cósmica estão longe, e o espectro de flutuações no fundo cósmico de microondas tem o número errado de picos e vales inteiramente.

Embora isso não signifique que uma modificação mais sofisticada não funcione (e, de fato, muitas foram propostas), essa ideia de que uma modificação poderia explicar uma série de problemas não parece funcionar dessa maneira. Para modificações na gravidade, a maneira mais simples, direta e, de fato, mais atraente de fazer isso não leva você muito longe no grande esquema do Universo.

Um olhar detalhado sobre o Universo revela que ele é feito de matéria e não de antimatéria, que a matéria escura e a energia escura são necessárias e que não sabemos a origem de nenhum desses mistérios. No entanto, as flutuações na CMB, a formação e as correlações entre a estrutura em grande escala e as observações modernas de lentes gravitacionais apontam para a mesma imagem. (CHRIS BLAKE E SAM MOORFIELD)

Mas para a matéria escura, o oposto é verdadeiro. Ao adicionar um ingrediente ao Universo - uma nova forma de matéria que gravita, mas não tem interações através de nenhuma das outras forças fundamentais com ela mesma, fótons, neutrinos ou matéria normal (baseada em átomos) - chegaríamos em uma imagem inteiramente nova de como a estrutura se formou no Universo.

Nos estágios iniciais do Universo, a matéria tentaria entrar em colapso à medida que as regiões superdensas atrairiam gravitacionalmente massa adicional, mas a radiação retrocederia contra esse crescimento. Enquanto a matéria normal interagiria com essa radiação, sendo devolvida quando a densidade ficasse muito grande, a matéria escura seria insensível a esse efeito. Como resultado, você teria dois tipos distintos de comportamento, sobrepostos um ao outro:

• o comportamento da matéria normal, que respondeu à gravidade, pressão de radiação, interações com fótons, bem como interações partícula-partícula,
• e o comportamento da matéria escura, que respondeu à gravidade e aos efeitos do ambiente em mudança ao seu redor, sem quaisquer outras interações.

À medida que nossos satélites melhoraram suas capacidades, eles sondaram escalas menores, mais bandas de frequência e diferenças de temperatura menores no fundo cósmico de micro-ondas. As imperfeições da temperatura ajudam a nos ensinar do que o Universo é feito e como ele evoluiu, pintando uma imagem que requer matéria escura para fazer sentido. (NASA/ESA E AS EQUIPES COBE, WMAP E PLANCK; RESULTADOS PLANCK 2018. VI. PARÂMETROS COSMOLÓGICOS; COLABORAÇÃO PLANCK (2018))

Este laboratório natural – do Universo primitivo – é na verdade um campo de testes fenomenal para a matéria escura. A razão é simples: quando as imperfeições gravitacionais no Universo são pequenas, há uma quantidade insignificante de caos. Se começarmos com um pequeno conjunto de imperfeições gravitacionais e alguns ingredientes simples (como matéria normal, matéria escura, neutrinos e fótons), podemos calcular precisamente como essas imperfeições evoluirão desde que essas imperfeições sejam pequenas em comparação com a matéria geral. densidade.

Quando as imperfeições são pequenas? Em dois lugares:

• nos primeiros tempos cósmicos, antes de crescerem significativamente,
• e em grandes escalas cósmicas, que levam muito mais tempo para experimentar grandes quantidades de crescimento gravitacional.

É por isso que é tão vital olhar tanto para a estrutura em grande escala do Universo, onde as previsões da matéria escura podem ser extraordinariamente bem calculadas, quanto para as flutuações impressas no fundo cósmico de micro-ondas, cujas características são uma relíquia da Universo de apenas 380.000 anos após o Big Bang. Com conjuntos de dados modernos de enormes pesquisas de estrutura em larga escala, como SDSS e pesquisas de fundo de microondas cósmicas em todo o céu, como as conduzidas pelo WMAP e Planck, a requintada concordância da matéria escura entre teoria e observações é um golaço para a cosmologia.

Tanto as simulações (vermelho) quanto as pesquisas de galáxias (azul/roxo) exibem os mesmos padrões de agrupamento em grande escala, mesmo quando você observa os detalhes matemáticos. Se a matéria escura não estivesse presente, grande parte dessa estrutura não apenas diferiria em detalhes, mas seria eliminada da existência; as galáxias seriam raras e cheias de elementos quase exclusivamente leves. (GERARD LEMSON E O CONSÓRCIO DE VIRGEM)

Se os sucessos observacionais não fossem tão profundos e inequívocos, a matéria escura nunca teria se tornado a teoria predominante e aceita que é hoje. Um consenso científico não teria surgido a menos que a evidência direta a favor da existência da matéria escura fosse esmagadora, e é. Embora ainda nos falte - e procuremos fervorosamente - a evidência crítica de detecção direta que esperamos encontrar em termos da partícula teorizada como responsável pela matéria escura, a evidência indireta é tão forte que é decisiva.

Astrofisicamente, a matéria escura (ou algo até então indistinguível dela) explica um enorme conjunto de observações, inclusive nas maiores escalas cósmicas e nos primeiros tempos cósmicos: onde há a menor incerteza teórica de todas. Em momentos posteriores e em escalas menores, muitas complicações surgem, tornando as simulações uma necessidade, mas também inerentemente repletas de incertezas. Quando olhamos para o lugar onde as incertezas são menores, também encontramos a evidência que é mais forte. Na ciência, costumamos dizer que afirmações extraordinárias exigem evidências extraordinárias. Quando essa evidência está presente, no entanto, você a ignora por sua conta e risco.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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