Os cientistas têm procurado por "matéria escura" - uma substância desconhecida e invisível que se pensa constituir a vasta maioria da matéria no universo - há quase um século. A razão para essa persistência é que a matéria escura é necessária para explicar o fato de que as galáxias parecem não obedecer às leis fundamentais da física. Contudo, As pesquisas de matéria escura continuaram sem sucesso.

Mas existem outras abordagens para entender por que as galáxias se comportam de maneira tão estranha. Nosso novo estudo, publicado no Journal of Cosmology and Astroparticle Physics , mostra que, ajustando as leis da gravidade nas enormes escalas das galáxias, podemos realmente não precisar de matéria escura, afinal.

O astrônomo suíço Fritz Zwicky descobriu na década de 1930 que as velocidades nos aglomerados de galáxias eram altas demais para explicar a quantidade de matéria que podíamos ver. Um fenômeno semelhante foi descrito por vários grupos de astrônomos, como Vera Rubin e Kent Ford, quando estudaram o movimento das estrelas nas extremidades da Galáxia de Andrômeda.

Esperava-se que as velocidades das estrelas distantes de seu centro diminuíssem, como eles experimentam menos força gravitacional. Isso é porque, de acordo com a segunda lei do movimento de Newton, a atração gravitacional na matéria orbital pode ser equiparada a um produto de sua massa e aceleração (que está relacionada à velocidade).

Contudo, as medições mostraram que não houve tal diminuição nas velocidades com a distância. Isso levou os cientistas a acreditar que deve haver alguma matéria invisível ali para criar uma atração gravitacional mais forte e um movimento estelar mais rápido. Nas últimas décadas, inúmeras outras sondas de sistemas gravitantes em escalas de comprimento muito grandes indicaram o mesmo problema.

Além da matéria escura

O mistério do que realmente é a matéria escura continua sendo o desafio final da física fundamental moderna. A questão central é se é de fato uma fonte de massa ausente, como um novo tipo de assunto, ou se a lei gravitacional é simplesmente diferente em escalas de comprimento gigantescas.

Embora a primeira opção pareça muito tentadora, na verdade, ainda não encontramos nenhuma matéria escura. Também, enquanto as leis da gravidade são bem testadas dentro do sistema solar, é preciso ter cuidado ao extrapolar isso para escalas que são pelo menos um bilhão de vezes maiores.

Uma tentativa bem conhecida de se livrar da necessidade de matéria escura é a Dinâmica Newtoniana Modificada (MOND), o que sugere que a lei da gravidade de Newton se torna irregular quando a atração gravitacional é muito fraca - como é o caso nas regiões externas da galáxia. Mas esta teoria, embora bem sucedido em muitos aspectos, não passou nos mesmos testes rigorosos que nosso modelo padrão de cosmologia, que inclui matéria escura.

O principal problema é que o MOND não pode explicar o problema de massa ausente em galáxias e aglomerados de galáxias ao mesmo tempo. Outro argumento muito forte contra o MOND é baseado na observação de aglomerados de galáxias em colisão, onde as estrelas de cada galáxia passam umas pelas outras, mas as nuvens de gás se unem e ficam para trás. Um exemplo famoso é o Bullet Cluster, que consiste em dois desses aglomerados em colisão. As observações sugerem que a matéria escura segue as estrelas nesses eventos, que têm uma massa total menor do que a nuvem de gás. MOND não consegue explicar por que isso acontece.

Bolhas espaciais

Decidimos ajustar as leis da gravidade de uma maneira diferente. Nossa abordagem assumiu que um fenômeno conhecido como rastreio de Vainshtein está em ação. Isso sugere que cada um suficientemente denso, objeto compacto no espaço gera uma esfera invisível em torno dele que determina como as leis da física se comportam com o aumento da distância. Esta esfera é um conceito teórico para nos ajudar a entender a diferença entre escalas pequenas e grandes, em vez de uma membrana física real.

De acordo com nossa teoria, dentro dessa bolha, as leis da gravidade newtoniana comum que vemos em nosso sistema solar valem para objetos que interagem com o corpo maciço no centro. Fora da bolha, a teoria sugere que a atração gravitacional pelo objeto central pode ser significativamente aumentada - mesmo que não haja mais massa presente.

O tamanho da bolha seria proporcional à massa do objeto central. Se, por exemplo, em uma galáxia, esta esfera tem um raio de alguns milhares de anos-luz - uma distância típica na qual os sinais de matéria escura são observados - a esfera correspondente do nosso sol teria um raio de 50.000 unidades astronômicas (uma dessas unidades é a distância entre os sol e a Terra). Contudo, a borda do sistema solar está a apenas 50 unidades astronômicas de distância. Em outras palavras, não há objetos que pudéssemos observar longe do sol para testar se o sol tem uma atração gravitacional diferente sobre eles do que na Terra. Somente a observação de sistemas inteiros muito distantes nos permite fazer isso.

O efeito surpreendente é que o tamanho da bolha newtoniana aumenta com a massa fechada de uma maneira particular. Isso significa que a lei da gravidade muda em diferentes escalas de comprimento em galáxias e aglomerados de galáxias, respectivamente e, portanto, pode explicar a matéria escura aparente em ambos os sistemas simultaneamente. Isso não é possível com o MOND. Além disso, é consistente com a observação do Bullet Cluster. Isso porque as nuvens de gás deixadas para trás na colisão não são compactas o suficiente para gerar uma esfera ao seu redor - o que significa que a matéria escura aparente só é notável em torno das estrelas mais compactas. O MOND não faz distinção entre estrelas e nuvens de gás.

Para nossa grande surpresa, nossa teoria nos permitiu explicar as velocidades estelares nas galáxias muito melhor do que com a relatividade geral de Einstein, que permite a existência de matéria escura. Portanto, pode haver menos matéria escura misteriosa lá fora do que pensamos - e talvez até mesmo nenhuma.

Pretendemos investigar mais a fundo esse fenômeno interessante. Também pode ser responsável pela alta variabilidade do movimento galáctico, para o qual reunimos mais e mais evidências.

Qualquer corpo maciço distorce o espaço e o tempo ao seu redor, de acordo com a relatividade geral. Como resultado, os raios de luz dão uma volta aparente ao redor do objeto, em vez de viajar em linha reta - um efeito chamado de lente gravitacional. Um teste extremamente interessante de nossa descoberta seria a observação da deflexão precisa da luz gravitacional por galáxias individuais, o que é embora uma medição difícil. Nossa teoria prevê uma deflexão de luz mais forte para galáxias muito compactas, portanto, excitantemente, poderia um dia ser falsificado ou confirmado por tal medição.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.