p Matéria escura, por sua própria natureza, é invisível. Não podemos observá-lo com telescópios, e os físicos de partículas também não tiveram sorte em detectá-lo por meio de experimentos. p Então, por que eu e milhares de meus colegas acreditamos que a maior parte da massa do universo é composta de matéria escura, em vez da matéria convencional que compreende as estrelas, planetas, e todos os outros objetos visíveis em nossos céus?

p Para responder a essa pergunta, você precisa avaliar o que a matéria escura pode e não pode fazer, entender onde ela se esconde no universo, e perceber que "escuro" é apenas o começo do quebra-cabeça.

p Influência invisível

p Nossa história de matéria escura começa com velocidade e gravidade. Em todo o cosmos, vemos objetos viajando em órbitas sob a influência da gravidade. Assim como a Terra orbita o Sol, o Sol orbita o centro de nossa galáxia.

p A velocidade necessária para manter um corpo celeste em órbita é função da massa e da distância. Por exemplo, em nosso Sistema Solar, A Terra se move a 30 km por segundo, enquanto os planetas mais distantes demoram vários quilômetros por segundo.

p Nossa galáxia é incrivelmente massiva, então o Sol orbita a 230 km por segundo, apesar de ter 26, 700 anos-luz de distância do centro de nossa galáxia. Contudo, à medida que nos afastamos do centro da galáxia, as velocidades orbitais das estrelas permanecem aproximadamente constantes. Porque?

p Ao contrário do nosso Sistema Solar, cuja massa é dominada pelo Sol, a massa em nossa galáxia está espalhada por milhares de anos-luz. À medida que nos movemos para distâncias maiores do centro galáctico, as estrelas e o gás encerrados nesse raio aumentam. Essa massa adicional pode explicar as grandes velocidades das estrelas mais distantes de nossa galáxia? Não exatamente.

p Na década de 1960, a astrônoma americana pioneira Vera Rubin mediu as velocidades orbitais na galáxia de Andrômeda (a galáxia próxima à Via Láctea) a distâncias de 70, 000 anos-luz do centro dessa galáxia. Notavelmente, apesar dessa distância estar bem além do volume das estrelas e do gás de Andrômeda, a velocidade orbital permaneceu próxima a 250km / s.

p Este fenômeno não é exclusivo de galáxias individuais. Na década de 1930, O astrônomo suíço-americano Fritz Zwicky descobriu que as galáxias orbitando dentro de aglomerados de galáxias estavam se movendo muito mais rápido do que o esperado.

p O que está acontecendo? Uma possibilidade é que uma grande quantidade de massa invisível se estenda além das estrelas e do gás. Esta é a matéria escura.

p De fato, o trabalho de Zwicky, Rubin e as gerações subsequentes de astrônomos indicam que há mais matéria escura no universo do que matéria convencional. (Quanto à energia escura, essa é uma outra história.)

p Notavelmente, nossa incapacidade de ver ou detectar matéria escura fornece pistas sobre como ela se comporta. Ele deve ter poucas interações consigo mesmo e com a matéria convencional, além da força da gravidade - caso contrário, o teríamos detectado emitindo luz e interagindo com outras partículas.

p Como a matéria escura interage principalmente por meio da gravidade sozinha, tem algumas propriedades curiosas. Uma nuvem de gás quente no espaço pode perder energia ao emitir luz, e assim esfriar. Uma nuvem de gás suficientemente massiva e fria pode entrar em colapso sob sua própria gravidade para formar estrelas.

p Por contraste, a matéria escura não pode perder energia ao emitir luz. Assim, enquanto a matéria convencional pode colapsar em objetos densos como estrelas e planetas, a matéria escura permanece mais difusa.

p Isso explica uma aparente contradição. Embora a matéria escura possa dominar a massa do universo, não achamos que haja muito disso em nosso Sistema Solar.

p Sucesso de simulação

p Como o movimento da matéria escura é dominado exclusivamente pela gravidade, também é comparativamente fácil de modelar analiticamente e em simulações.

p Desde a década de 1970, temos fórmulas para o número de estruturas de matéria escura, que também prediz o número de galáxias massivas e aglomerados de galáxias. Além disso, as simulações podem modelar o acúmulo de estruturas ao longo da história do universo. O paradigma da matéria escura não se encaixa apenas nos dados, tem poder preditivo.

p Existe uma alternativa para a matéria escura? Inferimos sua presença usando a gravidade, mas e se nossa compreensão da gravidade estiver errada? Talvez a gravidade seja mais forte em grandes distâncias do que pensamos.

p Existem várias teorias alternativas da gravidade, com a Dinâmica Newtoniana Modificada de Mordehai Milgrom (MoND) sendo o exemplo mais conhecido.

p Como podemos distinguir a matéria escura da gravidade modificada? Nós vamos, na maioria das teorias, a gravidade puxa em direção à massa. Assim, se não houver matéria escura, a gravidade puxa para a matéria convencional, ao passo que, se a matéria escura dominar, a gravidade irá puxar predominantemente em direção à matéria escura.

p Portanto, deve ser fácil dizer qual teoria está certa, direito? Não exatamente, já que a matéria escura e a matéria convencional seguem aproximadamente uma à outra. Mas existem algumas exceções úteis.

p Esmague nuvens de gás e matéria escura e algo maravilhoso acontece. O gás colide para formar uma única nuvem, enquanto as partículas de matéria escura continuam se movendo sob a influência da gravidade. Isso acontece quando aglomerados de galáxias colidem uns com os outros em grandes velocidades.

p Como medimos a atração da gravidade em aglomerados de galáxias em colisão? Nós vamos, a gravidade atrai não apenas a massa, mas também a luz, então imagens distorcidas de galáxias podem traçar a atração gravitacional. E na colisão de aglomerados de galáxias, a gravidade puxa para onde a matéria escura deveria estar, não para o assunto convencional.

p Ondinhas no tempo

p Podemos ver a influência da matéria escura não apenas hoje, mas no passado distante, de volta ao Big Bang.

p O Fundo Cósmico de Microondas, o resplendor do Big Bang, pode ser visto em todas as direções. E nesta bola de fogo podemos ver ondulações, o resultado de ondas sonoras viajando através de gás ionizado.

p Essas ondas sonoras resultam da interação da gravidade, pressão e temperatura no universo primitivo. A matéria escura contribui para a gravidade, mas não responde à temperatura e pressão como matéria convencional, portanto, a força das ondas sonoras depende da proporção da matéria convencional para a matéria escura.

p Como esperado, medições dessas ondulações feitas por satélites e observatórios baseados no solo revelam que há mais matéria escura do que matéria convencional em nosso universo.

p Então o caso está encerrado? A matéria escura é definitivamente a resposta? A maioria dos astrônomos diria que a matéria escura é a explicação mais simples e melhor para muitos dos fenômenos que vemos no universo. Embora existam problemas potenciais para os modelos de matéria escura mais simples, como o número de pequenas galáxias satélites, são problemas interessantes, em vez de falhas convincentes.

p Mas o fato é que ainda não detectamos a matéria escura diretamente. Isso não me incomoda particularmente, já que a física tem uma história de partículas que levaram décadas para serem detectadas diretamente. Se não o detectarmos daqui a 20 anos, posso estar preocupado, mas, por enquanto, estou apostando que a matéria escura é real. p Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.