Don Lincoln é um cientista sênior do Fermilab do Departamento de Energia dos EUA, a maior instituição de pesquisa Large Hadron Collider da América. Ele também escreve sobre ciência para o público, incluindo seu recente "O grande colisor de Hádrons: a história extraordinária do bóson de Higgs e outras coisas que vão explodir sua mente" (Johns Hopkins University Press, 2014). Você pode segui-lo no Facebook. Lincoln contribuiu com este artigo para o Expert Voices: Live Op-Ed & Insights.
Muitas pessoas conhecedoras da ciência tomam como certo que o universo é feito não apenas dos "bilhões e bilhões" de galáxias de Carl Sagan, mas também de uma vasta quantidade de uma substância invisível chamada matéria escura. Pensa-se que essa matéria estranha seja um novo tipo de partícula subatômica que não interage via eletromagnetismo, nem as forças nucleares fortes e fracas. A matéria escura também deve ser cinco vezes mais prevalente no universo do que a matéria comum dos átomos.
No entanto, a realidade é que a existência da matéria escura ainda não foi provada. A matéria escura ainda é uma hipótese, embora bem apoiada. Qualquer teoria científica precisa fazer previsões e, se estiver certo, as medidas que você fizer devem estar alinhadas com as previsões. O mesmo vale para a matéria escura. Por exemplo, as teorias da matéria escura fazem previsões de quão rápido as galáxias estão girando. Mas, até agora, as medidas feitas da distribuição detalhada da matéria escura no centro das galáxias de baixa massa não estavam alinhadas com essas previsões.
Um cálculo recente mudou isso. O cálculo ajuda a resolver o enigma da relação Tully-Fisher, que compara a matéria visível ou comum de uma galáxia com sua velocidade de rotação. Em termos muito simplificados, os cientistas descobriram que quanto mais maciça (e, portanto, mais brilhante) uma galáxia espiral, mais rápida ela gira.
Mas se a matéria escura existe, quão "grande" é uma galáxia deve ser determinada não apenas pela sua matéria visível, mas também pela sua matéria escura. Com uma grande parte da equação - a quantidade de matéria escura - ausente, a relação Tully-Fisher não deve se manter. E ainda assim. Era difícil imaginar uma maneira de conciliar essa relação com a teoria da matéria escura existente. Até agora.
Origens da matéria escura
Os primeiros indícios de que possa haver necessidade de algo como a matéria escura remontam a 1932. O astrônomo holandês Jan Oort mediu a velocidade orbital das estrelas na Via Láctea e descobriu que elas se moviam rápido demais para serem explicadas pela massa observada da galáxia.
As estrelas orbitam sua galáxia-mãe em caminhos quase circulares e a gravidade é a força que mantém as estrelas nessas órbitas. As equações de Newton prevêem que a força que faz as estrelas se moverem em um caminho circular, F (circular), deve ser igual à força devida à gravidade da estrela, F (gravidade), ou então a estrela voaria para o espaço ou cairia para o centro da galáxia. Para aqueles que se lembram da física do ensino médio, F (circular) é uma afirmação de inércia e é apenas o F = ma de Newton. F (gravidade) é a lei de Newton da gravitação universal.
Perto do centro das galáxias, Rubin e Ford descobriram que F (circular) era aproximadamente igual a F (gravidade), como esperado. Mas longe do centro das galáxias, os dois lados da equação não combinavam muito bem. Enquanto os detalhes variavam de galáxia para galáxia, suas observações eram essencialmente universais.
Uma discrepância tão dramática precisa de explicação. Perto do centro das galáxias, as medições de Rubin e Ford significavam que a teoria estava funcionando, enquanto a discrepância em distâncias orbitais maiores significava que algo estava acontecendo que as teorias existentes não podiam explicar. Suas idéias revelaram que ou não entendemos como a inércia funciona (por exemplo, F (circular)) ou não entendemos como a gravidade funciona (por exemplo, F (gravidade)). Uma terceira possibilidade é que o sinal de igual esteja errado, significando que há alguma outra força ou efeito que a equação não inclui. Essas eram as únicas possibilidades.
Explicando as discrepâncias
Nos 40 anos desde o trabalho original de Rubin e Ford, os cientistas testaram muitas teorias para tentar explicar as discrepâncias de rotação galáctica que encontraram. O físico Mordehai Milgrom propôs uma modificação da inércia, chamada "dinâmica newtoniana modificada", ou MOND. Em sua forma inicial, postulou que, em acelerações muito baixas, a equação de Newton F = ma não funcionava.
Outros físicos sugeriram modificações nas leis da gravidade. A relatividade geral de Einstein não ajuda aqui porque, nesse campo, as previsões de Einstein e Newton são essencialmente idênticas. E as teorias da gravidade quântica, que tentam descrever a gravidade usando partículas subatômicas, não podem ser a explicação pela mesma razão. No entanto, existem teorias gravitacionais que fazem previsões em escalas galácticas ou extragaláticas que diferem da gravidade newtoniana. Então, essas são opções.
Depois, há previsões de que novas forças existem. Essas idéias são agrupadas sob o nome "a quinta força", implicando uma força além da gravidade, eletromagnetismo e as forças nucleares fortes e fracas.
Finalmente, há a teoria da matéria escura: que um tipo de matéria que não interage com a luz, mas exerce uma força gravitacional, permeia o universo.
Se as medidas de rotação galáctica são os únicos dados que temos, pode ser difícil selecionar entre essas diferentes teorias. Afinal, pode ser possível ajustar cada teoria para resolver o problema de rotação galáctica. Mas agora existem muitas observações de muitos fenômenos diferentes que podem ajudar a identificar a teoria mais plausível.
Uma é a velocidade das galáxias dentro de grandes aglomerados de galáxias. As galáxias estão se movendo rápido demais para que os aglomerados fiquem ligados. Outra observação é a luz de galáxias muito distantes. Observações dessas galáxias antigas muito distantes mostram que sua luz é distorcida passando pelos campos gravitacionais de mais aglomerados de galáxias próximos. Também existem estudos de pequenas não uniformidades do fundo cósmico de microondas que é o berço do nascimento do universo. Todas essas medidas (e muitas mais) também devem ser abordadas por qualquer nova teoria para explicar as velocidades de rotação galáctica.
Questões sem resposta da matéria escura
A teoria da matéria escura fez um trabalho razoável na previsão de muitas dessas medidas, e é por isso que é bem respeitada na comunidade científica. Mas a matéria escura ainda é um modelo não confirmado. Todas as evidências de sua existência até agora são indiretas. Se a matéria escura existir, poderemos observar diretamente as interações da matéria escura à medida que ela atravessa a Terra e poderemos criar matéria escura em grandes aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider. E, no entanto, nenhuma das abordagens teve sucesso.
Além disso, a matéria escura deve concordar com todas, não apenas com muitas observações astronômicas. Embora a matéria escura seja o modelo mais bem-sucedido até agora, ela não é completamente bem-sucedida. Os modelos de matéria escura preveem mais galáxias satélites anãs em torno de grandes galáxias como a Via Láctea do que são realmente detectadas. Embora mais galáxias anãs estejam sendo encontradas, ainda são poucas as comparações com as previsões da matéria escura.
Outra grande questão em aberto é como a matéria escura afeta a relação entre o brilho das galáxias e suas velocidades de rotação. Essa relação, apresentada pela primeira vez em 1977, é chamada de relação de Tully-Fisher e mostrou inúmeras vezes que a massa visível de uma galáxia se correlaciona bem com sua velocidade de rotação.
Desafios difíceis para a matéria escura
Então, isso termina a história por trás. O que há de novo?
A relação Tully-Fisher é um desafio difícil para os modelos de matéria escura. A rotação de uma galáxia é governada pela quantidade total de matéria que ela contém. Se a matéria escura realmente existe, então a quantidade total de matéria é a soma da matéria comum e da matéria escura.
Mas a teoria da matéria escura existente prevê que qualquer galáxia aleatória pode conter frações maiores ou menores de matéria escura. Portanto, quando se mede a massa visível, você pode estar perdendo uma grande parte da massa total. Como resultado, a massa visível deve ser um indicador muito ruim da massa total (e, portanto, da velocidade de rotação) da galáxia. A massa da galáxia pode ser semelhante à da massa visível (comum) ou pode ser muito maior.
Portanto, não há razão para esperar que a massa visível seja um bom preditor da velocidade de rotação da galáxia. No entanto é.
De fato, em um artigo divulgado este ano, os céticos da matéria escura usaram medidas da relação de Tully-Fisher para várias galáxias para argumentar contra a hipótese da matéria escura e para uma versão modificada da inércia, como a MOND.
Melhor ajuste para matéria escura
No entanto, em um artigo divulgado em junho, os cientistas deram um impulso significativo aos modelos de matéria escura. O novo trabalho não apenas reproduz os sucessos de previsões anteriores do modelo de matéria escura, como também reproduz a relação de Tully-Fisher.
O novo artigo é um modelo "semi-analítico", o que significa que é uma combinação de equações analíticas e simulação. Simula o aglomerado de matéria escura no universo primitivo que pode ter semeado a formação de galáxias, mas também inclui a interação da matéria comum, incluindo coisas como a entrada de matéria comum em outro corpo celeste devido à sua atração gravitacional, formação de estrelas e aquecimento de gás infalível pela luz das estrelas e supernovas. Ajustando cuidadosamente os parâmetros, os pesquisadores conseguiram melhor corresponder à relação prevista de Tully-Fisher. A chave do cálculo é que a velocidade rotacional prevista inclui um valor realista para a razão entre bárions e matéria escura na galáxia.
O novo cálculo é uma etapa adicional importante na validação do modelo de matéria escura. No entanto, não é a palavra final. Qualquer teoria de sucesso deve concordar com todas as medidas. Não concordar significa que a teoria ou os dados estão errados, ou pelo menos incompletos. Ainda existem algumas discrepâncias entre previsão e medição (como o número de pequenas galáxias satélites em torno das grandes), mas este novo artigo nos dá confiança de que trabalhos futuros resolverão essas discrepâncias restantes. A matéria escura continua sendo uma teoria poderosamente preditiva para a estrutura do universo. Não está completo e precisa de validação descobrindo a partícula de matéria escura real. Portanto, ainda há trabalho a ser feito. Mas esse cálculo mais recente é um passo importante para o dia em que saberemos de uma vez por todas se o universo é realmente dominado pelo lado sombrio.
