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Por que os humanos devem ser gratos por nosso universo ter 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. 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)

Sem este ingrediente, não haveria “cola” suficiente para manter o Universo unido.

De todas as coisas no Universo para agradecer – as estrelas, planetas, átomos, moléculas e muito mais que se juntaram e tornaram nossa existência possível – parece estranho que a matéria escura seja incluída. Mesmo aqui em nosso próprio Sistema Solar, a matéria escura pode estar presente, mas mesmo seus efeitos gravitacionais são totalmente insignificantes, contribuindo menos do que o planeta anão Ceres para todas as órbitas dos planetas, luas, asteróides e objetos do cinturão de Kuiper.

E, no entanto, sem a matéria escura, o Universo como o conhecemos não existiria do jeito que existe. As estrelas seriam entidades extremamente raras no Universo, e grandes galáxias com estrelas semelhantes ao Sol e planetas semelhantes à Terra seriam quase impossíveis. A matéria escura permitiu que o Universo nos desse origem e, sem ela, não estaríamos aqui. Aqui está a história cósmica pela qual cada um de nós deve ser grato.

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. Embora algumas das simulações que realizamos indiquem que alguns aglomerados podem estar se movendo mais rápido do que o esperado, as simulações incluem apenas a gravitação e outros efeitos como feedback, formação de estrelas e cataclismos estelares também podem ser importantes para o gás. Sem matéria escura, essas observações (juntamente com muitas outras) não podem ser suficientemente explicadas. (RAIO X: NASA/CXC/ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE, SUÍÇA/D.HARVEY NASA/CXC/DURHAM UNIV/R.MASSEY; MAPA ÓPTICO/LENSING: NASA, ESA, D. HARVEY (ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE, SUÍÇA) E R. MASSEY (DURHAM UNIVERSITY, Reino Unido))

Em escalas astronômicas, particularmente em grandes escalas cósmicas, a evidência observacional da matéria escura é esmagadora. Sem seus efeitos gravitacionais:

• galáxias não girariam como são observadas,
• galáxias individuais se moveriam muito rápido para permanecer em aglomerados ligados,
• aglomerados de galáxias em colisão (acima) não mostrariam uma separação entre a matéria normal (emissão de raios-X) e os sinais de lente gravitacional (impulsionados pela matéria escura),
• a teia cósmica não mostraria as propriedades de agrupamento que exibe,
• e o padrão de flutuação no fundo cósmico de micro-ondas seria tremendamente diferente.

O conjunto de evidências que apoiam a existência da matéria escura é esmagador. Mas o que geralmente não é apreciado é que, se nosso Universo não tivesse matéria escura, nossa galáxia não poderia ter mantido os ingredientes brutos que tornaram possível a vida como humanos e planetas como a Terra.

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 cerca de metade desses picos não estariam presentes se não houvesse matéria escura. (RESULTADOS PLANCK 2018. VI. PARÂMETROS COSMOLÓGICOS; COLABORAÇÃO PLANCK (2018))

O que quer que seja a matéria escura, ela deve ter existido aproximadamente na mesma quantidade ao longo de quase todo o Universo. Observacionalmente, as assinaturas de matéria escura que aparecem no fundo cósmico de micro-ondas - o que é necessário para explicar a existência de cerca de metade das características de pico acústico no gráfico acima - nos dizem que a matéria escura deve estar presente desde quando o Universo foi criado. alguns milhares de anos, no máximo.

A maioria dos modelos de produção de matéria escura só é plausível na primeira fração de segundo após o Big Bang, mesmo que só se torne cosmologicamente importante mais tarde. Mas com as sementes da estrutura no lugar, surgindo tanto da matéria normal quanto da matéria escura juntas, é apenas uma questão de tempo e gravidade até que a matéria colapse em regiões densas o suficiente para formar as primeiras estrelas e proto-galáxias do Universo.

As primeiras estrelas e galáxias do Universo serão cercadas por átomos neutros de (principalmente) gás hidrogênio, que absorve a luz das estrelas e retarda qualquer ejeção. As grandes massas e altas temperaturas dessas primeiras estrelas ajudam a ionizar o Universo, mas até que elementos pesados ​​suficientes sejam formados e reciclados em futuras gerações de estrelas e planetas, a vida e planetas potencialmente habitáveis ​​são totalmente impossíveis. (NICOLE RAGER FULLER / FUNDAÇÃO NACIONAL DE CIÊNCIAS)

Se o seu Universo tinha matéria escura ou não, não importaria muito, do ponto de vista de alto nível, quando se trata das primeiras estrelas. Essas estrelas serão formadas quando grandes nuvens moleculares de gás (principalmente hidrogênio e hélio) entrarem em colapso, o que leva dezenas a centenas de milhões de anos em ambos os casos. As primeiras estrelas, devido à sua total falta de elementos mais pesados, irradiam e esfriam de maneira diferente das estrelas modernas; a primeira estrela média é cerca de 25 vezes mais massiva que a estrela média formada hoje.

Essas estrelas massivas serão brilhantes e de curta duração, queimando o combustível de seu núcleo talvez mil vezes mais rápido do que o nosso Sol. Quando o núcleo fica sem combustível, essas estrelas se contraem, aquecem e queimam elementos cada vez mais pesados. Em algum momento crítico, a pressão da radiação cairá à medida que o combustível acabar, e o núcleo entrará em colapso sob sua própria gravidade, provocando uma explosão de supernova.

A anatomia de uma estrela muito massiva ao longo de sua vida, culminando em uma Supernova Tipo II quando o núcleo fica sem combustível nuclear. O estágio final da fusão é tipicamente a queima de silício, produzindo ferro e elementos semelhantes a ferro no núcleo por apenas um breve período antes que uma supernova ocorra. Muitos dos remanescentes de supernova levarão à formação de estrelas de nêutrons, que podem produzir as maiores abundâncias dos elementos mais pesados ​​de todos ao colidirem e se fundirem. (NICOLE RAGER FULLER/NSF)

Essas supernovas acontecem rapidamente e em ondas onde quer que as primeiras estrelas estivessem. Mas é aqui que a presença da matéria escura é tão importante para a nossa existência: essas primeiras supernovas são de onde vem uma grande porcentagem de nossos elementos pesados. Os elementos necessários para a biologia, incluindo carbono, oxigênio, nitrogênio, fósforo e enxofre, exigem que essas estrelas massivas vivam, morram e reciclem seus interiores cósmicos na próxima geração de estrelas.

Para contribuir significativamente para a formação de planetas rochosos e compostos orgânicos, esses elementos pesados ​​precisam não apenas ser criados (o que estão nessas estrelas e cataclismos, independentemente da matéria escura), mas precisam ser retidos e bem utilizados. É aqui que, nestes primeiros aglomerados de estrelas, a matéria escura desempenha um papel tão vital.

Uma sequência de animação da supernova do século XVII na constelação de Cassiopeia. O material circundante mais a emissão contínua de radiação EM desempenham um papel na iluminação contínua do remanescente. Uma supernova é o destino típico de uma estrela com mais de 10 massas solares, embora existam algumas exceções. O material neste remanescente de supernova se move com extrema rapidez, até quase 5% da velocidade da luz. (NASA, ESA E A COLABORAÇÃO HUBBLE HERITAGE STSCI/AURA)-ESA/HUBBLE. AGRADECIMENTOS: ROBERT A. FESEN (DARTMOUTH COLLEGE, EUA) E JAMES LONG (ESA/HUBBLE))

Observamos explosões de supernovas em grande detalhe, e uma das lições que aprendemos é a rapidez com que esse material é ejetado das estrelas que passam pela agonia dessa maneira. As velocidades típicas são substanciais: da ordem de 1.000 km/s, ou alguns décimos de por cento da velocidade da luz. De fato, o remanescente de supernova Cassiopeia A, que remonta a uma explosão do século 17 aqui em nossa Via Láctea, tem ejetos deixando-os entre 5.000 e 14.500 km/s!

Para comparação, nosso próprio Sol orbita a Via Láctea a uma velocidade relativamente insignificante de apenas 220 km/s, e se estivesse se movendo substancialmente mais rápido (digamos, três vezes mais rápido), escaparia da atração gravitacional de nossa galáxia. Os aglomerados de estrelas e as primeiras proto-galáxias no universo jovem são muito menos massivos e muito mais fáceis de escapar gravitacionalmente. Se não tomarmos cuidado, todos os elementos que trabalhamos tanto para criar podem ser jogados para fora dessas galáxias, levando-nos de volta à estaca zero na busca do nosso Universo para formar planetas e vida.

Em teoria, a maioria da matéria escura em qualquer galáxia existe em um vasto halo envolvendo a matéria normal, mas ocupando um volume muito maior. Embora grandes galáxias, aglomerados de galáxias e estruturas ainda maiores possam ter seu conteúdo de matéria escura determinado indiretamente, é um desafio traçar a distribuição de matéria escura com precisão. (ESO / L. CALÇADA)

Há outra matéria (como gás neutro) em torno de uma supernova no início do Universo, mas mesmo o efeito de colidir com todo esse material não é suficiente para permitir que esses jovens aglomerados de estrelas mantenham a maior parte de seus ejetos de supernova. Esses objetos de baixa massa, ligados de forma tênue por sua gravidade mútua, serão incapazes de segurar mesmo material ejetado modestamente rápido e energético.

Mas agora, se você adicionar matéria escura, a história muda drasticamente. Assim como nossa galáxia tem um halo enorme e difuso de matéria escura ao seu redor, assim como todas as grandes estruturas gravitacionais de todos os tamanhos e escalas no Universo . Por causa da enorme influência gravitacional desta matéria escura, e o fato de que ela continua a agir sobre a matéria normal que tenta escapar para escalas de distância muito maiores do que a própria matéria normal se estende, a matéria escura dá ao Universo a chance de manter sua estruturas juntas.

A Galáxia do Charuto, M82, e seus ventos supergaláticos (em vermelho) que mostram a rápida formação de novas estrelas ocorrendo dentro dela. Esta é a galáxia massiva mais próxima de nós em rápida formação estelar como esta, e seus ventos são tão poderosos que quase todos os elementos pesados ​​produzidos pela morte dessas estrelas seriam permanentemente ejetados sem matéria escura para mantê-la gravitacionalmente ligada. (NASA, ESA, EQUIPE HUBBLE HERITAGE, (STSCI / AURA); AGRADECIMENTOS: M. MOUNTAIN (STSCI), P. PUXLEY (NSF), J. GALLAGHER (U. WISCONSIN))

Se não fosse pela gravitação adicional que um enorme halo de matéria escura fornece, a enorme quantidade de material ejetado de uma supernova escaparia das galáxias para sempre. A mesma história seria verdadeira para fusões de estrelas de nêutrons, colisões de anãs brancas e outros cataclismos que produzem elementos pesados ​​em quantidades substanciais. Sem esses blocos de construção avançados permanecendo no que se tornará uma galáxia, moléculas complexas e planetas rochosos ainda permaneceriam impossíveis.

Quando a próxima geração de estrelas tentasse se formar, teria apenas quantidades insignificantes de elementos pesados ​​se a matéria escura não estivesse presente. Considerando que em nosso Universo rico em matéria escura, esses elementos pesados ​​se acumulam substancialmente ao longo do tempo - eles compreendem cerca de 1-2% do total de matéria normal no presente - em um Universo livre de matéria escura, a abundância de elementos pesados ​​seria insignificante.

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)

Além disso, o cenário padrão de uma teia cósmica em grande escala crescendo e canalizando matéria para ela também não funcionaria da mesma maneira, pois um Universo sem matéria escura não possui o mesmo material para impulsionar a formação da estrutura. Com a matéria normal sozinha, estruturas de menor escala seriam lavadas, e as galáxias maiores que se formaram seriam extremamente esparsas e poucas em número em todo o cosmos.

Mesmo nessas raridades astronômicas, uma grande galáxia ocasional ainda seria incapaz de manter seus elementos mais pesados, mesmo nas regiões mais centrais das galáxias mais massivas. Mesmo que uma pequena quantidade desses elementos fosse retida, esses ambientes são atualmente considerados inabitáveis ​​devido a grandes quantidades de radiação cósmica e cataclismos próximos.

Esta visão de vários comprimentos de onda do centro galáctico da Via Láctea vai do raio-X através do óptico e no infravermelho, mostrando Sagitário A* e o meio intragaláctico localizado a cerca de 25.000 anos-luz de distância. O buraco negro tem uma massa de aproximadamente 4 milhões de Sol, enquanto a Via Láctea como um todo forma menos de um novo Sol de estrelas a cada ano. Sem a matéria escura, mesmo o centro galáctico seria em grande parte desprovido de elementos pesados, tornando a perspectiva de formação de vida em qualquer lugar do Universo quase impossível. (RAIO X: NASA/CXC/UMASS/D. WANG ET AL.; ÓPTICO: NASA/ESA/STSCI/D.WANG ET AL.; IR: NASA/JPL-CALTECH/SSC/S.STOLOVY)

Em um universo sem matéria escura, ainda podemos ter estrelas e galáxias, mas os únicos planetas seriam mundos gigantes gasosos, sem nenhum rochoso. Sem carbono, não há moléculas orgânicas; sem oxigênio, não há água líquida; sem uma enorme quantidade de elementos da tabela periódica, a vida bioquímica seria completamente impossível.

Somente com a presença de halos maciços de matéria escura, galáxias ao redor e impulsionando o crescimento da teia cósmica, um planeta como a Terra ou a vida baseada em carbono como encontramos na Terra pode ser formado. À medida que entendemos o que compõe nosso Universo e como ele se tornou dessa maneira, surge uma conclusão inevitável: a matéria escura é fundamentalmente necessária para o surgimento da vida. Sem ela, a química subjacente a toda a vida nunca poderia ter ocorrido. Hoje e todos os dias, devemos ser gratos por cada parte da história cósmica que nos permitiu existir. Até a matéria escura.

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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