A principal teoria rival da matéria obscura está morta? A espaçonave Cassini e outros testes recentes podem invalidar o MOND
A rotação da galáxia há muito deixa os cientistas perplexos. Crédito:NASA/Telescópio James Webb Um dos maiores mistérios da astrofísica hoje é que as forças nas galáxias não parecem se somar. As galáxias giram muito mais rápido do que o previsto pela aplicação da lei da gravidade de Newton à sua matéria visível, apesar de essas leis funcionarem bem em todo o sistema solar.
Para evitar que as galáxias se separem, é necessária alguma gravidade adicional. É por isso que a ideia de uma substância invisível chamada matéria escura foi proposta pela primeira vez. Mas ninguém nunca viu a coisa. E não há nenhuma partícula no enorme sucesso do Modelo Padrão da física de partículas que possa ser a matéria escura – deve ser algo bastante exótico.
Isto levou à ideia rival de que as discrepâncias galácticas são causadas, em vez disso, por uma quebra das leis de Newton. A ideia mais bem sucedida é conhecida como dinâmica Milgromiana ou MOND, proposta pelo físico israelita Mordehai Milgrom em 1982. Mas a nossa investigação recente mostra que esta teoria está em apuros.
O principal postulado do MOND é que a gravidade começa a se comportar de maneira diferente do que Newton esperava quando se torna muito fraca, como nas bordas das galáxias. O MOND tem bastante sucesso em prever a rotação de galáxias sem qualquer matéria escura, e tem alguns outros sucessos. Mas muitos destes também podem ser explicados pela matéria escura, preservando as leis de Newton.
Então, como colocamos o MOND em um teste definitivo? Temos perseguido isso há muitos anos. A chave é que o MOND só altera o comportamento da gravidade em baixas acelerações, e não a uma distância específica de um objeto. Você sentirá uma aceleração menor nos arredores de qualquer objeto celeste – um planeta, estrela ou galáxia – do que quando estiver perto dele. Mas é a quantidade de aceleração, e não a distância, que prevê onde a gravidade deveria ser mais forte.
Isto significa que, embora os efeitos do MOND normalmente surjam a vários milhares de anos-luz de distância de uma galáxia, se olharmos para uma estrela individual, os efeitos tornar-se-iam altamente significativos a um décimo de ano-luz. Isso é apenas alguns milhares de vezes maior que uma unidade astronômica (UA) – a distância entre a Terra e o Sol. Mas os efeitos mais fracos do MOND também deverão ser detectáveis em escalas ainda menores, como no sistema solar exterior.
Isto leva-nos à missão Cassini, que orbitou Saturno entre 2004 e a sua colisão final com o planeta em 2017. Saturno orbita o Sol a 10 UA. Devido a uma peculiaridade do MOND, a gravidade do resto da nossa galáxia deve fazer com que a órbita de Saturno se desvie da expectativa newtoniana de uma forma sutil.
Isto pode ser testado cronometrando pulsos de rádio entre a Terra e a Cassini. Como a Cassini estava orbitando Saturno, isso ajudou a medir a distância Terra-Saturno e nos permitiu rastrear com precisão a órbita de Saturno. Mas a Cassini não encontrou nenhuma anomalia do tipo esperado no MOND. Newton ainda funciona bem para Saturno.
Um de nós, Harry Desmond, publicou recentemente um estudo no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society que investiga os resultados com maior profundidade. Talvez o MOND se ajustasse aos dados da Cassini se ajustássemos a forma como calculamos as massas das galáxias a partir do seu brilho? Isso afetaria o aumento da gravidade que o MOND tem a fornecer para se ajustar aos modelos de rotação da galáxia e, portanto, o que deveríamos esperar da órbita de Saturno.
Cassini orbitou Saturno de 2004 a 2017. Crédito:Wikipedia, CC BY-SA
Outra incerteza é a gravidade das galáxias vizinhas, que tem um efeito menor. Mas o estudo mostrou que, dada a forma como o MOND teria de trabalhar para se ajustar aos modelos de rotação das galáxias, também não pode ajustar-se aos resultados do rastreio de rádio da Cassini – não importa como ajustemos os cálculos.
Com as suposições padrão consideradas mais prováveis pelos astrônomos e permitindo uma ampla gama de incertezas, a chance de o MOND corresponder aos resultados da Cassini é a mesma que uma moeda lançada cair cara para cima 59 vezes consecutivas. Isso é mais que o dobro do padrão ouro “5 sigma” para uma descoberta na ciência, o que corresponde a cerca de 21 lançamentos de moeda consecutivos.
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Essa não é a única má notícia para a MOND. Outro teste é fornecido por estrelas binárias largas – duas estrelas que orbitam um centro comum com vários milhares de UA de distância. MOND previu que essas estrelas deveriam orbitar umas em torno das outras 20% mais rápido do que o esperado pelas leis de Newton. Mas um de nós, Indranil Banik, conduziu recentemente um estudo muito detalhado que descarta esta previsão. A chance de MOND estar certo, dados esses resultados, é a mesma de uma moeda justa cair em cara 190 vezes consecutivas.
Os resultados de outra equipa mostram que o MOND também não consegue explicar pequenos corpos no distante Sistema Solar exterior. Os cometas vindos de lá têm uma distribuição de energia muito mais estreita do que o previsto pelo MOND. Esses corpos também têm órbitas que geralmente são apenas ligeiramente inclinadas em relação ao plano próximo ao qual todos os planetas orbitam. MOND faria com que as inclinações fossem muito maiores.
A gravidade newtoniana é fortemente preferida à MOND em escalas de comprimento abaixo de cerca de um ano-luz. Mas o MOND também falha em escalas maiores que as galáxias:não consegue explicar os movimentos dentro dos aglomerados de galáxias. A matéria escura foi proposta pela primeira vez por Fritz Zwicky na década de 1930 para explicar os movimentos aleatórios das galáxias dentro do aglomerado Coma, o que requer mais gravidade para mantê-lo unido do que a massa visível pode fornecer.
O MOND também não consegue fornecer gravidade suficiente, pelo menos nas regiões centrais dos aglomerados de galáxias. Mas nos arredores, o MOND oferece muita gravidade. Assumir, em vez disso, que a gravidade newtoniana, com cinco vezes mais matéria escura do que matéria normal, parece fornecer um bom ajuste aos dados.
O modelo padrão da cosmologia da matéria escura não é perfeito, entretanto. Há coisas que é difícil explicar, desde a taxa de expansão do universo até estruturas cósmicas gigantescas. Portanto, talvez ainda não tenhamos o modelo perfeito. Parece que a matéria escura veio para ficar, mas a sua natureza pode ser diferente do que o Modelo Padrão sugere. Ou a gravidade pode de facto ser mais forte do que pensamos – mas apenas em escalas muito grandes.
Em última análise, porém, o MOND, tal como formulado atualmente, não pode mais ser considerado uma alternativa viável à matéria escura. Podemos não gostar, mas o lado negro ainda domina.
