Você está olhando, sem dúvida, um dos melhores mapas de matéria escura que temos. Os astrônomos tingiram as concentrações de matéria escura no gigantesco aglomerado de galáxias Abell 1689 de azul. Eles descobriram a localização dessas concentrações usando lentes gravitacionais. Imagem cortesia da NASA, ESA, e D. Coe (NASA JPL / Caltech e STScI) No álbum seguinte de 1978 para "Born to Run, "Bruce Springsteen usa a escuridão nos limites da cidade como uma metáfora para o desolado desconhecido que todos enfrentamos enquanto crescemos e tentamos entender o mundo.
Os cosmologistas que trabalham para decifrar a origem e o destino do universo devem se identificar completamente com a sensação de desejo trágico de The Boss. Esses cientistas videntes têm enfrentado sua própria escuridão na orla da cidade (ou na orla das galáxias) por muito tempo, enquanto tentam explicar um dos maiores mistérios da astronomia. É conhecido como matéria escura , que é em si um espaço reservado - como o x ou y usado na aula de álgebra - para algo desconhecido e até então invisível. Um dia, vai ter um novo nome, mas hoje estamos presos ao rótulo temporário e suas conotações de incerteza sombria.
Só porque os cientistas não sabem o que chamar de matéria escura não significa que eles não saibam nada sobre ela. Eles sabem, por exemplo, que a matéria escura se comporta de maneira diferente da matéria "normal", como galáxias, estrelas, planetas, asteróides e todas as coisas vivas e não vivas na Terra. Os astrônomos classificam tudo isso como matéria bariônica , e eles sabem que sua unidade mais fundamental é o átomo, que por si só é composto de partículas subatômicas ainda menores, como prótons, nêutrons e elétrons.
Ao contrário da matéria bariônica, a matéria escura não emite nem absorve luz ou outras formas de energia eletromagnética. Os astrônomos sabem que existe porque algo no universo está exercendo forças gravitacionais significativas sobre as coisas que podemos ver. Quando eles medem os efeitos dessa gravidade, os cientistas estimam que a matéria escura representa 23 por cento do universo. A matéria bariônica é responsável por apenas 4,6%. E outro mistério cósmico conhecido como energia escura compõe o resto - impressionantes 72 por cento [fonte:NASA / WMAP]!
Então, o que é matéria escura? De onde veio? Onde está agora? Como os cientistas estudam as coisas quando não podem ver? E o que eles esperam ganhar resolvendo o quebra-cabeça? É a matéria escura o segredo para solidificar o modelo padrão da física de partículas, ou alterará fundamentalmente a forma como vemos e entendemos o mundo ao nosso redor? Tantas perguntas a serem respondidas. Começaremos do início - a seguir.
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Os astrônomos são fascinados por galáxias há séculos. Primeiro veio a percepção de que nosso sistema solar estava envolto nos braços de um grande corpo de estrelas. Então veio a evidência de que outras galáxias existiam além da Via Láctea. Na década de 1920, cientistas como Edwin Hubble estavam catalogando milhares de "universos-ilhas" e registrando informações sobre seus tamanhos, rotações e distâncias da Terra.
Um aspecto-chave que os astrônomos esperavam medir era a massa de uma galáxia. Mas você não pode simplesmente pesar algo do tamanho de uma galáxia - você tem que encontrar sua massa por outros métodos. Um método é medir a intensidade da luz, ou luminosidade. Quanto mais luminosa uma galáxia, mais massa ela possui (veja Como funcionam as estrelas). Outra abordagem é calcular a rotação do corpo de uma galáxia, ou disco, rastreando a rapidez com que as estrelas dentro da galáxia se movem em torno de seu centro. As variações na velocidade de rotação devem indicar regiões de gravidade variável e, portanto, massa.
Quando os astrônomos começaram a medir as rotações das galáxias espirais nas décadas de 1950 e 60, eles fizeram uma descoberta intrigante. Eles esperavam ver estrelas perto do centro de uma galáxia, onde a matéria visível é mais concentrada, movem-se mais rápido do que as estrelas na borda. O que eles viram, em vez disso, foi que estrelas na borda de uma galáxia tinham a mesma velocidade de rotação que estrelas próximas ao centro. Os astrônomos observaram isso primeiro com a Via Láctea, e então, Na década de 1970, Vera Rubin confirmou o fenômeno ao fazer medições quantitativas detalhadas de estrelas em várias outras galáxias, incluindo Andromeda (M31).
A implicação de todos esses resultados apontou para duas possibilidades:algo estava fundamentalmente errado com nossa compreensão da gravidade e da rotação, o que parecia improvável, visto que as leis de Newton resistiram a muitos testes durante séculos. Ou, mais provável, galáxias e aglomerados galácticos devem conter uma forma invisível de matéria - olá, matéria escura - responsável pelos efeitos gravitacionais observados. Enquanto os astrônomos focavam sua atenção na matéria escura, eles começaram a coletar evidências adicionais de sua existência.
Pioneiros da matéria negraO conceito de matéria escura não se originou com Vera Rubin. Em 1932, o astrônomo holandês Jan Hendrik Oort observou que as estrelas em nossa vizinhança galáctica se moviam mais rapidamente do que os cálculos previam. Ele usou o termo "matéria escura" para descrever a massa não identificada necessária para causar esse aumento de velocidade. Um ano depois, Fritz Zwicky começou a estudar galáxias no aglomerado Coma. Usando medições de luminosidade, ele determinou quanta massa deve haver no aglomerado e, em seguida, porque massa e gravidade estão relacionadas, calculou a velocidade com que as galáxias deveriam se mover. Quando ele mediu suas velocidades reais, Contudo, ele descobriu que as galáxias estavam se movendo muito, muito mais rápido do que ele esperava. Para explicar a discrepância, Zwicky sugeriu que mais massa - duas ordens de magnitude a mais - estava oculta entre a matéria visível. Como Oort, Zwicky chamou essa coisa invisível de matéria escura [fonte:SuperCDMS na Queen's University].
É um anel duplo de Einstein! O Hubble tirou a foto do campo gravitacional de uma galáxia elíptica distorcendo a luz de duas galáxias exatamente atrás dela. Obrigado, Hubble. Imagem cortesia da NASA, ESA, e R. Gavazzi e T. Treu (Universidade da Califórnia, Santa Barbara) Os astrônomos continuaram a encontrar informações intrigantes enquanto estudavam as galáxias distantes do universo. Alguns intrépidos observadores das estrelas voltaram sua atenção para aglomerados galácticos - nós de galáxias (no mínimo 50 e no máximo milhares) unidos pela gravidade - na esperança de encontrar poças de gás quente que não foram detectadas anteriormente e que podem ser responsáveis pela massa atribuída à matéria escura.
Quando eles viraram telescópios de raios-X, como o Chandra X-ray Observatory, em direção a esses aglomerados, eles de fato encontraram vastas nuvens de gás superaquecido. Insuficiente, Contudo, para explicar as discrepâncias em massa. A medição da pressão do gás quente em aglomerados galácticos mostrou que deve haver cerca de cinco a seis vezes mais matéria escura do que todas as estrelas e gases que observamos [fonte:Chandra X-ray Observatory]. De outra forma, não haveria gravidade suficiente no cluster para evitar que o gás quente escapasse.
Os aglomerados galácticos forneceram outras pistas sobre a matéria escura. Pegando emprestado da teoria geral da relatividade de Albert Einstein, astrônomos mostraram que aglomerados e superaglomerados podem distorcer o espaço-tempo com sua imensa massa. Os raios de luz que emanam de um objeto distante atrás de um aglomerado passam pelo espaço-tempo distorcido, o que faz com que os raios se curvem e convirjam à medida que se movem em direção a um observador. Portanto, o aglomerado atua como uma grande lente gravitacional, muito parecido com uma lente ótica (veja Como funciona a luz).
A imagem distorcida do objeto distante pode aparecer de três maneiras possíveis, dependendo do formato da lente:
Medindo o ângulo de curvatura, astrônomos podem calcular a massa das lentes gravitacionais (quanto maior a curvatura, quanto mais maciça for a lente). Usando este método, astrônomos confirmaram que os aglomerados galácticos realmente têm grandes massas superiores às medidas pela matéria luminosa e, como resultado, forneceram evidências adicionais de matéria escura.
Chandra para o resgateEm 2000, Chandra observou uma nuvem gigantesca de gás quente envolvendo o aglomerado de galáxias Abell 2029, levando os astrônomos a estimar que o aglomerado deve conter uma quantidade de matéria escura equivalente a mais de cem trilhões de sóis! Se outros clusters têm características semelhantes, então, 70 a 90 por cento da massa do universo poderia ser atribuída à matéria escura [fonte:Chandra X-ray Observatory].
Esta imagem composta do aglomerado de galáxias em fusão Abell 520 se sobrepôs, mapas de "cores falsas" que mostram a concentração da luz das estrelas no aglomerado (laranja), gás quente (verde) e matéria escura (grande parte do azul). Imagem cortesia da NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee (Universidade da Califórnia, Davis), e A. Mahdavi (San Francisco State University) À medida que os astrônomos reuniam pistas sobre a existência - e a quantidade impressionante - de matéria escura, eles se voltaram para o computador para criar modelos de como as coisas estranhas poderiam ser organizadas. Eles fizeram suposições sobre a quantidade de matéria escura e bariônica que pode existir no universo, em seguida, deixe o computador desenhar um mapa com base nas informações. As simulações mostraram a matéria escura como um material semelhante a uma teia entrelaçado com a matéria visível regular. Em alguns lugares, a matéria escura se aglutinou em pedaços. Em outros lugares, esticou-se para formar longo, filamentos fibrosos sobre os quais as galáxias aparecem emaranhadas, como insetos apanhados na seda da aranha. De acordo com o computador, matéria escura pode estar em toda parte, unindo o universo como uma espécie de tecido conjuntivo invisível.
Desde então, astrônomos trabalharam diligentemente para criar um mapa de matéria escura semelhante com base na observação direta. E eles têm usado uma das mesmas ferramentas - lentes gravitacionais - que ajudou a provar a existência de matéria escura em primeiro lugar. Ao estudar os efeitos de curvatura da luz dos aglomerados de galáxias e combinar os dados com medições ópticas, eles foram capazes de "ver" o material invisível e começaram a montar mapas precisos.
Em alguns casos, astrônomos estão mapeando aglomerados únicos. Por exemplo, em 2011, duas equipes usaram dados do Observatório de raios-X do Chandra e outros instrumentos como o Telescópio Espacial Hubble para mapear a distribuição da matéria escura em um aglomerado de galáxias conhecido como Abell 383, que está localizado a cerca de 2,3 bilhões de anos-luz da Terra. Ambas as equipes chegaram à mesma conclusão:a matéria escura no aglomerado não é esférica, mas ovóide, como um futebol americano, orientado com uma extremidade apontando para os observadores. Os pesquisadores discordaram, Contudo, sobre a densidade da matéria escura em Abell 383. Uma equipe calculou que a matéria escura aumentou em direção ao centro do aglomerado, enquanto o outro mediu menos matéria escura no centro. Mesmo com essas discrepâncias, os esforços independentes provaram que a matéria escura pode ser detectada e mapeada com sucesso.
Em janeiro de 2012, uma equipe internacional de pesquisadores publicou os resultados de um projeto ainda mais ambicioso. Usando a câmera de 340 megapixels no telescópio Canadá-França-Havaí (CFHT) na montanha Mauna Kea no Havaí, os cientistas estudaram os efeitos das lentes gravitacionais de 10 milhões de galáxias em quatro regiões diferentes do céu durante um período de cinco anos. Quando eles costuraram tudo junto, eles tinham uma imagem da matéria escura olhando através de 1 bilhão de anos-luz de espaço - o maior mapa das coisas invisíveis produzidas até hoje. Seu produto acabado se assemelhava às simulações de computador anteriores e revelou uma vasta teia de matéria escura se estendendo pelo espaço e se misturando com a matéria normal que conhecemos há séculos.
Com base na evidência, a maioria dos astrônomos concorda que a matéria escura existe. Além disso, eles têm mais perguntas do que respostas. A maior questão, ousamos dizer um dos maiores em toda a cosmologia, centra-se na natureza exata da matéria escura. É um exótico, tipo de assunto não descoberto, ou é um assunto comum que temos dificuldade em observar?
A última possibilidade parece improvável, mas os astrônomos consideraram alguns candidatos, ao qual eles se referem como MACHOs , ou objetos halo compactos maciços . MACHOs são objetos grandes que residem nos halos das galáxias, mas escapam à detecção porque têm luminosidades muito baixas. Esses objetos incluem anãs marrons, extremamente turvas anãs brancas, estrelas de nêutrons e até buracos negros. MACHOs provavelmente contribuem de alguma forma para o mistério da matéria escura, mas simplesmente não há um número suficiente deles para explicar toda a matéria escura em uma única galáxia ou aglomerado de galáxias.
Os astrônomos acham que é mais provável que a matéria escura consista em um tipo inteiramente novo de matéria construída a partir de um novo tipo de partícula elementar. Inicialmente, eles consideraram neutrinos , partículas fundamentais postuladas pela primeira vez na década de 1930 e depois descobertas na década de 1950, mas porque eles têm tão pouca massa, os cientistas duvidam que eles constituam muita matéria escura. Outros candidatos são frutos da imaginação científica. Eles são conhecidos como WIMPs (para partículas massivas de interação fraca ), e se eles existem, essas partículas têm massas dezenas ou centenas de vezes maiores do que a de um próton, mas interagem tão fracamente com a matéria comum que são difíceis de detectar. WIMPs podem incluir qualquer número de partículas estranhas, tal como:
Cientistas de todo o mundo continuam a caçar agressivamente por essas partículas. Um de seus laboratórios mais importantes, o Grande Colisor de Hádrons (LHC), encontra-se nas profundezas do subsolo em um túnel circular de 26,5 milhas de comprimento que cruza a fronteira franco-suíça. Dentro do túnel, campos elétricos aceleram dois feixes cheios de prótons a velocidades absurdas e, em seguida, permitem que eles colidam, que libera um spray complexo de partículas. O objetivo dos experimentos do LHC não é produzir WIMPs diretamente, mas para produzir outras partículas que podem se decompor em matéria escura. Este processo de decadência, embora quase instantâneo, permitiria aos cientistas rastrear mudanças de momentum e energia que forneceriam evidências indiretas de uma partícula totalmente nova.
Outros experimentos envolvem detectores subterrâneos na esperança de registrar partículas de matéria escura passando pela Terra (veja a barra lateral).
Sepultado em MinnesotaSe galáxias distantes normalmente ficam dentro de uma mortalha de matéria escura, então a Via Láctea pode, também. E se for assim, então a Terra deve estar passando por um mar de partículas de matéria escura enquanto orbita o sol, e o sol viaja ao redor da galáxia. Para detectar essas partículas, a equipe do Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) enterrou uma série de células de germânio nas profundezas do solo em Sudão, Minn. Se partículas de matéria escura existem, eles devem passar pela terra sólida e atingir os núcleos dos átomos de germânio, que vai recuar e produzir pequenas quantidades de calor e energia. Em 2010, a equipe relatou que havia detectado dois WIMPs candidatos atingindo a matriz de células. Em última análise, os cientistas decidiram que os resultados não eram estatisticamente significativos, mas era outra pista tentadora na busca pela substância mais misteriosa do universo.
Nem todo mundo acredita na matéria escura, Não por um tiro longo. Alguns astrônomos acreditam que as leis do movimento e da gravidade, formulado por Newton e expandido por Einstein, pode ter finalmente encontrado seu par. Se for esse o caso, então uma modificação da gravidade, não alguma partícula invisível, poderia explicar os efeitos atribuídos à matéria escura.
Nos anos 1980, o físico Mordehai Milgrom sugeriu que a segunda lei do movimento de Newton (força =massa x aceleração, f =ma) deve ser reexaminado nos casos de movimentos galácticos. Sua ideia básica era que em acelerações muito baixas, correspondendo a grandes distâncias, a segunda lei quebrou. Para fazer funcionar melhor, ele adicionou uma nova constante matemática à famosa lei de Newton, chamando a modificação MOND , ou Dinâmica Newtoniana Modificada . Como Milgrom desenvolveu o MOND como solução para um problema específico, não como um princípio fundamental da física, muitos astrônomos e físicos gritaram.
Também, O MOND não pode explicar a evidência de matéria escura descoberta por outras técnicas que não envolvem a segunda lei de Newton, como astronomia de raios-X e lentes gravitacionais. Uma revisão de 2004 do MOND, conhecido como TeVeS ( Gravidade tensor-vetorial-escalar ), introduz três campos diferentes no espaço-tempo para substituir o único campo gravitacional. Porque TeVeS incorpora relatividade, pode acomodar fenômenos como lentes. Mas isso não encerrou o debate. Em 2007, os físicos testaram a segunda lei de Newton em acelerações tão baixas quanto 5 x 10 -14 em 2 e relatou que f =ma é válido sem modificações necessárias (consulte a atualização de notícias do American Institute of Physics:"Newton's Second Law of Motion, "11 de abril, 2007), fazendo MOND parecer ainda menos atraente.
Outras alternativas ainda consideram a matéria escura uma ilusão resultante da física quântica. Em 2011, Dragan Hajdukovic da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN) propôs que o espaço vazio é preenchido com partículas de matéria e antimatéria que não são apenas opostos elétricos, mas também opostos gravitacionais. Com diferentes cargas gravitacionais, as partículas de matéria e antimatéria formariam dipolos gravitacionais no espaço. Se esses dipolos se formassem perto de uma galáxia - um objeto com um campo gravitacional massivo - os dipolos gravitacionais se tornariam polarizados e fortaleceriam o campo gravitacional da galáxia. Isso explicaria os efeitos gravitacionais da matéria escura sem exigir nenhuma forma nova ou exótica de matéria.
De acordo com esta linha do tempo da NASA, a expansão do universo está se acelerando. Imagem cortesia da NASA Se a matéria escura age como cola cósmica, os astrônomos devem ser capazes de explicar sua existência em termos da teoria prevalecente da formação do universo. A teoria do big bang afirma que o universo primitivo passou por uma enorme expansão e ainda está se expandindo hoje. Para que a gravidade agrupe as galáxias em paredes ou filamentos, deve haver uma grande quantidade de massa que sobrou do big bang, particularmente massa invisível na forma de matéria escura. Na verdade, simulações de supercomputadores da formação do universo mostram que as galáxias, aglomerados galácticos e estruturas maiores podem eventualmente se formar a partir de agregações de matéria escura no início do universo.
Além de dar estrutura ao universo, a matéria escura pode desempenhar um papel em seu destino. O universo está se expandindo, mas vai se expandir para sempre? A gravidade acabará por determinar o destino da expansão, e a gravidade depende da massa do universo; especificamente, há uma densidade crítica de massa no universo de 10 -29 g / cm 3 (equivalente a alguns átomos de hidrogênio em uma cabine telefônica) que determina o que pode acontecer.
As medições de densidade de massa devem incluir matéria clara e escura. Então, é importante saber quanta matéria escura existe no universo.
Observações recentes dos movimentos de supernovas distantes sugerem que a taxa de expansão do universo está na verdade se acelerando. Isso abre uma quarta possibilidade, um universo em aceleração, em que todas as galáxias se afastarão umas das outras com relativa rapidez e o universo ficará frio e escuro (mais rápido do que no universo aberto, mas ainda na ordem de dezenas de bilhões de anos). O que causa essa aceleração é desconhecido, mas tem sido chamada de energia escura. Energia escura é ainda mais misterioso do que a matéria escura - e apenas mais um exemplo da escuridão da astronomia nos limites da cidade. Talvez o universo, como sugere Springsteen, carregará seus segredos por muito tempo, muito tempo:
Todo mundo tem um segredo, Sonny, Algo que eles simplesmente não conseguem enfrentar, Algumas pessoas passam a vida inteira tentando mantê-lo, Eles o carregam consigo a cada passo que dão.
Originalmente publicado:4 de setembro, 2007
