25.3: A massa da galáxia
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Descreva tentativas históricas de determinar a massa da galáxia
- Interprete a curva de rotação observada da nossa galáxia para sugerir a presença de matéria escura cuja distribuição se estende muito além da órbita do Sol
Quando descrevemos as seções da Via Láctea, dissemos que agora se sabe que as estrelas estão cercadas por um halo muito maior de matéria invisível. Vamos ver como essa descoberta surpreendente foi feita.
Kepler ajuda a pesar a galáxia
O Sol, como todas as outras estrelas da Galáxia, orbita o centro da Via Láctea. A órbita da nossa estrela é quase circular e está no disco da galáxia. A velocidade do Sol em sua órbita é de cerca de 200 quilômetros por segundo, o que significa que levamos aproximadamente 225 milhões de anos para dar uma volta no centro da galáxia. Chamamos o período da revolução do Sol de ano galáctico. É um longo tempo comparado às escalas de tempo humanas; durante toda a vida da Terra, apenas cerca de 20 anos galácticos se passaram. Isso significa que percorremos apenas uma pequena fração do caminho ao redor da galáxia em todo o tempo em que os humanos olharam para o céu.
Podemos usar as informações sobre a órbita do Sol para estimar a massa da galáxia (assim como poderíamos “pesar” o Sol monitorando a órbita de um planeta ao seu redor — veja Órbitas e Gravidade). Vamos supor que a órbita do Sol seja circular e que a galáxia seja aproximadamente esférica (sabemos que a galáxia tem o formato mais parecido com um disco, mas para simplificar o cálculo, faremos essa suposição, que ilustra a abordagem básica). Há muito tempo, Newton mostrou que se você tem matéria distribuída na forma de uma esfera, então é simples calcular a força da gravidade em algum objeto fora dessa esfera: você pode assumir que a gravidade age como se toda a matéria estivesse concentrada em um ponto no centro da esfera. Para nosso cálculo, então, podemos supor que toda a massa que está dentro da posição do Sol está concentrada no centro da galáxia, e que o Sol orbita esse ponto a uma distância de cerca de 26.000 anos-luz.
Esse é o tipo de situação à qual a terceira lei de Kepler (modificada por Newton) pode ser aplicada diretamente. Colocando números na fórmula de Kepler, podemos calcular a soma das massas da Galáxia e do Sol. No entanto, a massa do Sol é completamente trivial em comparação com a massa da galáxia. Assim, para todos os fins práticos, o resultado (cerca de 100 bilhões de vezes a massa do Sol) é a massa da Via Láctea. Cálculos mais sofisticados baseados em modelos mais sofisticados fornecem um resultado semelhante.
Nossa estimativa nos diz quanta massa está contida no volume dentro da órbita do Sol. Essa é uma boa estimativa para a massa total da galáxia somente se quase nenhuma massa estiver fora da órbita do Sol. Por muitos anos, os astrônomos pensaram que essa suposição era razoável. O número de estrelas brilhantes e a quantidade de matéria luminosa (ou seja, qualquer material do qual possamos detectar radiação eletromagnética) caem dramaticamente a distâncias de mais de 30.000 anos-luz do centro galáctico. Mal suspeitávamos do quão errada era nossa suposição.
Uma galáxia de matéria quase invisível
Na ciência, o que parece ser uma suposição razoável pode mais tarde se revelar errado (e é por isso que continuamos fazendo observações e experimentos sempre que temos chance). A Via Láctea é muito mais do que aparenta (ou nossos instrumentos). Embora haja relativamente pouca matéria luminosa além de 30.000 anos-luz, agora sabemos que muita matéria invisível existe a grandes distâncias do centro galáctico.
Podemos entender como os astrônomos detectaram essa matéria invisível lembrando que, de acordo com a terceira lei de Kepler, objetos que orbitam a grandes distâncias de um objeto massivo se moverão mais lentamente do que objetos que estão mais próximos dessa massa central. No caso do sistema solar, por exemplo, os planetas externos se movem mais lentamente em suas órbitas do que os planetas próximos ao Sol.
Existem alguns objetos, incluindo aglomerados globulares e algumas pequenas galáxias satélites próximas, que ficam bem fora do limite luminoso da Via Láctea. Se a maior parte da massa de nossa galáxia estivesse concentrada na região luminosa, esses objetos muito distantes deveriam viajar em torno de suas órbitas galácticas em velocidades mais baixas do que, por exemplo, o Sol.
Acontece, no entanto, que os poucos objetos vistos a grandes distâncias do limite luminoso da Via Láctea não estão se movendo mais lentamente que o Sol. Existem alguns aglomerados globulares e estrelas RR Lyrae entre 30.000 e 150.000 anos-luz do centro da galáxia, e suas velocidades orbitais são ainda maiores que as do Sol (Figura\(\PageIndex{1}\)).
O que essas velocidades mais altas significam? A terceira lei de Kepler nos diz o quão rápido os objetos devem orbitar uma fonte de gravidade se não quiserem cair (porque se movem muito lentamente) nem para escapar (porque se movem muito rápido). Se a galáxia tivesse apenas a massa calculada por Kepler, então os objetos externos de alta velocidade já deveriam ter escapado das garras da Via Láctea há muito tempo. O fato de não terem feito isso significa que nossa galáxia deve ter mais gravidade do que a matéria luminosa pode fornecer — na verdade, muito mais gravidade. A alta velocidade desses objetos externos nos diz que a fonte dessa gravidade extra deve se estender para fora do centro, muito além da órbita do Sol.
Se a gravidade fosse fornecida por estrelas ou por outra coisa que emita radiação, deveríamos ter detectado esse material externo adicional há muito tempo. Portanto, somos forçados à conclusão relutante de que essa matéria é invisível e, exceto por sua atração gravitacional, passou totalmente despercebida.
Estudos dos movimentos dos aglomerados globulares mais remotos e das pequenas galáxias que orbitam as nossas mostram que a massa total da galáxia é\(2 \times 10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\), pelo menos, cerca de vinte vezes maior do que a quantidade de matéria luminosa. Além disso, a matéria escura (como os astrônomos chamam de material invisível) se estende a uma distância de pelo menos 200.000 anos-luz do centro da galáxia. As observações indicam que esse halo de matéria escura é quase, mas não totalmente esférico.
A pergunta óbvia é: do que é feita a matéria escura? Vamos dar uma olhada em uma lista de “suspeitos” extraída do nosso estudo de astronomia até agora. Como essa matéria é invisível, ela claramente não pode estar na forma de estrelas comuns. E não pode ser gás em nenhuma forma (lembre-se de que deve haver muito). Se fosse gás hidrogênio neutro, sua emissão de linha espectral de 21 cm de comprimento de onda teria sido detectada como ondas de rádio. Se fosse hidrogênio ionizado, deveria estar quente o suficiente para emitir radiação visível. Se muitos átomos de hidrogênio se combinassem em moléculas de hidrogênio, eles deveriam produzir características escuras nos espectros ultravioletas de objetos situados além da galáxia, mas essas características não foram vistas. A matéria escura também não pode consistir em poeira interestelar, pois nas quantidades necessárias, a poeira obscureceria significativamente a luz de galáxias distantes.
Quais são nossas outras possibilidades? A matéria escura não pode ser um grande número de buracos negros (de massa estelar) ou estrelas de nêutrons antigas, já que a matéria interestelar caindo sobre esses objetos produziria mais raios X do que os observados. Além disso, lembre-se de que a formação de buracos negros e estrelas de nêutrons é precedida por uma quantidade substancial de perda de massa, que dispersa elementos pesados no espaço para serem incorporados às gerações subsequentes de estrelas. Se a matéria escura consistisse em um número enorme de qualquer um desses objetos, eles teriam explodido e reciclado muitos elementos mais pesados ao longo da história da galáxia. Nesse caso, as estrelas jovens que observamos em nossa galáxia hoje conteriam uma abundância muito maior de elementos pesados do que realmente contêm.
Anãs marrons e planetas solitários semelhantes a Júpiter também foram descartados. Em primeiro lugar, teria que haver muitos deles para criar tanta matéria escura. Mas temos um teste mais direto para saber se tantos objetos de baixa massa poderiam realmente estar à espreita por aí. Como aprendemos em Buracos Negros e Espaço-Tempo Curvo, a teoria geral da relatividade prevê que o caminho percorrido pela luz é alterado quando passa perto de uma concentração de massa. Acontece que quando os dois objetos aparecem próximos o suficiente no céu, a massa mais próxima de nós pode distorcer a luz de mais longe. Com o alinhamento correto, a imagem do objeto mais distante também se torna significativamente mais clara. Ao procurar o brilho temporário que ocorre quando um objeto de matéria escura em nossa própria galáxia se move pelo caminho percorrido pela luz das estrelas nas Nuvens de Magalhães, os astrônomos agora mostraram que a matéria escura não pode ser composta por muitos objetos pequenos com massas entre um milionésimo e um décimo a massa do Sol.
O que resta? Uma possibilidade é que a matéria escura seja composta por partículas subatômicas exóticas de um tipo ainda não detectado na Terra. Experimentos muito sofisticados (e difíceis) estão em andamento para procurar essas partículas. Fique ligado para ver se algo assim aparece.
Devemos acrescentar que o problema da matéria escura não está de forma alguma confinado à Via Láctea. As observações mostram que a matéria escura também deve estar presente em outras galáxias (cujas regiões externas também orbitam muito rápido “para seu próprio bem” — elas também têm curvas de rotação planas). Como veremos, a matéria escura existe até mesmo em grandes aglomerados de galáxias cujos membros agora se movem sob a influência de muito mais gravidade do que pode ser explicada apenas pela matéria luminosa.
Pare um momento e considere o quão surpreendente é realmente a conclusão a que chegamos. Talvez até 95% da massa em nossa galáxia (e em muitas outras galáxias) não seja apenas invisível, mas nem sabemos do que ela é feita. As estrelas e a matéria-prima que podemos observar podem ser apenas a ponta do iceberg cósmico; por trás de tudo isso pode estar outra matéria, talvez familiar, talvez surpreendentemente nova. Entender a natureza dessa matéria escura é um dos grandes desafios da astronomia atual; você aprenderá mais sobre isso em Um universo de (principalmente) matéria escura e energia escura.
Resumo
O Sol gira completamente em torno do centro galáctico em cerca de 225 milhões de anos (um ano galáctico). A massa da galáxia pode ser determinada medindo as velocidades orbitais das estrelas e da matéria interestelar. A massa total da galáxia é de cerca de\(2 \times 10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\). Cerca de 95% dessa massa consiste em matéria escura que não emite radiação eletromagnética e só pode ser detectada por causa da força gravitacional que exerce sobre estrelas visíveis e matéria interestelar. Essa matéria escura está localizada principalmente no halo da Galáxia; sua natureza não é bem compreendida no momento.
Glossário
- matéria escura
- massa não luminosa, cuja presença só pode ser inferida por causa de sua influência gravitacional na matéria luminosa; a composição da matéria escura não é conhecida