28.4: O desafio da matéria escura
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objetivos de aprendizagem
Ao final desta seção, você poderá:
- Explique como os astrônomos sabem que o sistema solar contém muito pouca matéria escura
- Resuma as evidências de matéria escura na maioria das galáxias
- Explique como sabemos que os aglomerados de galáxias são dominados pela matéria escura
- Relacione a presença de matéria escura com a proporção média massa/luz de grandes volumes de espaço contendo muitas galáxias
Até agora, este capítulo se concentrou quase inteiramente na matéria que irradia energia eletromagnética — estrelas, planetas, gás e poeira. Mas, como apontamos em vários capítulos anteriores (especialmente na Via Láctea), agora está claro que as galáxias também contêm grandes quantidades de matéria escura. Na verdade, há muito mais matéria escura do que a matéria que podemos ver — o que significa que seria tolice ignorar o efeito desse material invisível em nossas teorias sobre a estrutura do universo. (Como muitos capitães de navios nos mares polares descobriram tarde demais, a parte do iceberg visível acima da superfície do oceano não era necessariamente a única parte à qual ele precisava prestar atenção.) A matéria escura acaba sendo extremamente importante na determinação da evolução das galáxias e do universo como um todo.
A ideia de que grande parte do universo está cheia de matéria escura pode parecer um conceito bizarro, mas podemos citar um exemplo histórico de “matéria escura” muito mais perto de casa. Em meados do século XIX, as medições mostraram que o planeta Urano não seguia exatamente a órbita prevista pelas leis de Newton se somarmos as forças gravitacionais de todos os objetos conhecidos no sistema solar. Algumas pessoas temiam que as leis de Newton simplesmente não funcionassem tão longe em nosso sistema solar. Mas a interpretação mais direta foi atribuir os desvios orbitais de Urano aos efeitos gravitacionais de um novo planeta que ainda não havia sido visto. Os cálculos mostraram onde esse planeta deveria estar, e Netuno foi descoberto quase na localização prevista.
Da mesma forma, os astrônomos agora determinam rotineiramente a localização e a quantidade de matéria escura nas galáxias medindo seus efeitos gravitacionais em objetos que podemos ver. E, ao medir a forma como as galáxias se movem em aglomerados, os cientistas descobriram que a matéria escura também está distribuída entre as galáxias nos aglomerados. Como o ambiente ao redor de uma galáxia é importante em seu desenvolvimento, a matéria escura também deve desempenhar um papel central na evolução das galáxias. De fato, parece que a matéria escura compõe a maior parte da matéria no universo. Mas o que é matéria escura? Do que é feito? A seguir, veremos a busca pela matéria escura e a busca para determinar sua natureza.
Matéria escura na vizinhança local
Existe matéria escura em nosso próprio sistema solar? Os astrônomos examinaram as órbitas dos planetas conhecidos e das naves espaciais enquanto viajam para os planetas externos e além. Não foram encontrados desvios das órbitas previstas com base nas massas de objetos já descobertas em nosso sistema solar e na teoria da gravidade. Concluímos, portanto, que não há evidências de que haja grandes quantidades de matéria escura nas proximidades.
Os astrônomos também procuraram evidências de matéria escura na região da Via Láctea, que fica a algumas centenas de anos-luz do Sol. Nessa vizinhança, a maioria das estrelas está restrita a um disco fino. É possível calcular quanta massa o disco deve conter para evitar que as estrelas se desloquem muito acima ou abaixo dele. A matéria total que deve estar no disco é menor que o dobro da quantidade de matéria luminosa. Isso significa que não mais da metade da massa na região próxima ao Sol pode ser matéria escura.
Matéria escura dentro e ao redor de galáxias
Em contraste com nossa vizinhança local perto do Sol e do sistema solar, há (como vimos na Via Láctea) amplas evidências sugerindo fortemente que cerca de 90% da massa em toda a galáxia está na forma de um halo de matéria escura. Em outras palavras, aparentemente há cerca de nove vezes mais matéria escura do que matéria visível. Astrônomos descobriram algumas estrelas nas regiões externas da Via Láctea além de seu disco brilhante, e essas estrelas estão girando muito rapidamente em torno de seu centro. A massa contida em todas as estrelas e em toda a matéria interestelar que podemos detectar na galáxia não exerce força gravitacional suficiente para explicar como essas estrelas que se movem rapidamente permanecem em suas órbitas e não voam para longe. Somente por ter grandes quantidades de matéria invisível, a galáxia poderia manter essas estrelas externas que se movem rapidamente. O mesmo resultado também é encontrado para outras galáxias espirais.
A figura\(\PageIndex{1}\) é um exemplo dos tipos de observações que os astrônomos estão fazendo, para a galáxia de Andrômeda, membro do nosso Grupo Local. A rotação observada de galáxias espirais como Andrômeda geralmente é vista em gráficos, conhecidos como curvas de rotação, que mostram a velocidade versus a distância do centro da galáxia. Esses gráficos sugerem que a matéria escura é encontrada em um grande halo ao redor das partes luminosas de cada galáxia. O raio dos halos ao redor da Via Láctea e de Andrômeda pode ser de até 300.000 anos-luz, muito maior do que o tamanho visível dessas galáxias.
Matéria escura em aglomerados de galáxias
Galáxias em aglomerados também se movem: elas orbitam o centro de massa do aglomerado. Não é possível seguirmos uma galáxia em toda a sua órbita porque isso normalmente leva cerca de um bilhão de anos. É possível, no entanto, medir as velocidades com que as galáxias em um aglomerado estão se movendo e, em seguida, estimar qual deve ser a massa total no aglomerado para evitar que as galáxias individuais voem para fora do aglomerado. As observações indicam que a massa das galáxias por si só não consegue manter o aglomerado unido — alguma outra gravidade deve estar novamente presente. A quantidade total de matéria escura nos aglomerados excede em mais de dez vezes a massa luminosa contida nas próprias galáxias, indicando que a matéria escura existe entre as galáxias e dentro delas.
Há outra abordagem que podemos adotar para medir a quantidade de matéria escura em aglomerados de galáxias. Como vimos, o universo está se expandindo, mas essa expansão não é perfeitamente uniforme, graças à mão interferente da gravidade. Suponha, por exemplo, que uma galáxia esteja do lado de fora, mas relativamente perto de um rico aglomerado de galáxias. A força gravitacional do aglomerado puxará a galáxia vizinha e diminuirá a taxa na qual ela se afasta do aglomerado devido à expansão do universo.
Considere o Grupo Local de galáxias, situado na periferia do Superaglomerado de Virgem. A massa concentrada no centro do Aglomerado de Virgem exerce uma força gravitacional sobre o Grupo Local. Como resultado, o Grupo Local está se afastando do centro do Aglomerado de Virgem a uma velocidade algumas centenas de quilômetros por segundo mais lenta do que a lei do Hubble prevê. Ao medir esses desvios de uma expansão suave, os astrônomos podem estimar a quantidade total de massa contida em grandes aglomerados.
Existem outros dois métodos muito úteis para medir a quantidade de matéria escura em aglomerados de galáxias, e ambos produziram resultados em geral de acordo com o método de medir as velocidades das galáxias: lente gravitacional e emissão de raios-X. Vamos dar uma olhada em ambos.
Como Albert Einstein mostrou em sua teoria da relatividade geral, a presença de massa dobra o tecido circundante do espaço-tempo. A luz segue essas curvas, então objetos muito grandes podem curvar a luz significativamente. Você viu exemplos disso na caixa de recursos Astronomy Basics Gravitational Lensing na seção anterior. As galáxias visíveis não são as únicas lentes gravitacionais possíveis. A matéria escura também pode revelar sua presença ao produzir esse efeito. \(\PageIndex{2}\)A figura mostra um aglomerado de galáxias que está agindo como uma lente gravitacional; as listras e arcos que você vê na imagem são imagens com lentes de galáxias mais distantes. A lente gravitacional é bem entendida de que os astrônomos podem usar os muitos ovais e arcos vistos nesta imagem para calcular mapas detalhados de quanta matéria existe no aglomerado e como essa massa é distribuída. O resultado de estudos de muitos desses aglomerados de lentes gravitacionais mostra que, como galáxias individuais, os aglomerados de galáxias contêm mais de dez vezes mais matéria escura do que matéria luminosa.
O terceiro método que os astrônomos usam para detectar e medir a matéria escura em aglomerados de galáxias é imaginá-los à luz dos raios X. Quando os primeiros telescópios de raios-X sensíveis foram lançados em órbita ao redor da Terra na década de 1970 e treinados em enormes aglomerados de galáxias, descobriu-se rapidamente que os aglomerados emitem abundante radiação de raios-X (Figura\(\PageIndex{3}\)). A maioria das estrelas não emite muita radiação de raios-X, nem a maior parte do gás ou poeira entre as estrelas dentro das galáxias. O que poderia estar emitindo os raios X vistos de praticamente todos os aglomerados massivos de galáxias?
Acontece que, assim como as galáxias têm gás distribuído entre suas estrelas, aglomerados de galáxias têm gás distribuído entre suas galáxias. As partículas nesses enormes reservatórios de gás não estão apenas paradas; em vez disso, elas estão em constante movimento, dando um zoom sob a influência da imensa gravidade do aglomerado, como miniplanetas ao redor de um sol gigante. À medida que se movem e se chocam, o gás esquenta cada vez mais quente até que, em temperaturas de até 100 milhões de K, brilhe intensamente nos comprimentos de onda dos raios-X. Quanto mais massa o aglomerado tiver, mais rápidos serão os movimentos, mais quente será o gás e mais brilhantes serão os raios X. Os astrônomos calculam que a massa presente para induzir esses movimentos deve ser cerca de dez vezes a massa que eles podem ver nos aglomerados, incluindo todas as galáxias e todo o gás. Mais uma vez, isso é uma evidência de que os aglomerados de galáxias são vistos como dominados pela matéria escura.
Relação massa/luz
Descrevemos o uso da relação massa/luz para caracterizar a matéria em galáxias ou aglomerados de galáxias em Properties of Galaxies. Para sistemas que contêm principalmente estrelas antigas, a relação massa/luz é tipicamente de 10 a 20, onde a massa e a luz são medidas em unidades da massa e luminosidade do Sol. Uma relação massa/luz de 100 ou mais é um sinal de que uma quantidade substancial de matéria escura está presente. A tabela\(\PageIndex{1}\) resume os resultados das medições das proporções massa/luz para várias classes de objetos. Razões massa/luz muito grandes são encontradas para todos os sistemas de tamanho de galáxias e maiores, indicando que a matéria escura está presente em todos esses tipos de objetos. É por isso que dizemos que a matéria escura aparentemente compõe a maior parte da massa total do universo.
| Tipo de objeto | Relação massa/luz |
|---|---|
| Sol | 1 |
| Matéria nas proximidades do Sol | 2 |
| Massa total na Via Láctea | 10 |
| Pequenos grupos de galáxias | 50—150 |
| Ricos aglomerados de galáxias | 250—300 |
O agrupamento de galáxias pode ser usado para derivar a quantidade total de massa em uma determinada região do espaço, enquanto a radiação visível é um bom indicador de onde está a massa luminosa. Estudos mostram que a matéria escura e a matéria luminosa estão intimamente associadas. Os halos de matéria escura se estendem além dos limites luminosos das galáxias que eles cercam. No entanto, onde há grandes aglomerados de galáxias, você também encontrará grandes quantidades de matéria escura. Os vazios na distribuição da galáxia também são vazios na distribuição da matéria escura.
O que é a matéria escura?
Como vamos descobrir em que consiste a matéria escura? A técnica que podemos usar depende de sua composição. Vamos considerar a possibilidade de que parte da matéria escura seja composta de partículas normais: prótons, nêutrons e elétrons. Suponha que essas partículas tenham sido reunidas em buracos negros, anãs marrons ou anãs brancas. Se os buracos negros não tivessem discos de acreção, eles seriam invisíveis para nós. As anãs brancas e marrons emitem alguma radiação, mas têm luminosidades tão baixas que não podem ser vistas a distâncias maiores que alguns milhares de anos-luz.
Podemos, no entanto, procurar objetos tão compactos porque eles podem atuar como lentes gravitacionais. (Veja a caixa de recursos Astronomy Basics Gravitational Lensing.) Suponha que a matéria escura no halo da Via Láctea fosse composta por buracos negros, anãs marrons e anãs brancas. Esses objetos foram caprichosamente apelidados de MacOS (Massive Compact Halo Objects). Se um MACHO invisível passa diretamente entre uma estrela distante e a Terra, ele age como uma lente gravitacional, focando a luz da estrela distante. Isso faz com que a estrela pareça clarear em um intervalo de algumas horas a vários dias antes de retornar ao brilho normal. Como não podemos prever quando uma determinada estrela pode brilhar dessa forma, temos que monitorar um grande número de estrelas para capturar uma em flagrante. Não há astrônomos suficientes para continuar monitorando tantas estrelas, mas os telescópios automatizados e os sistemas de computador atuais podem fazer isso por nós.
Equipes de pesquisa que fizeram observações de milhões de estrelas na galáxia próxima chamada Grande Nuvem de Magalhães relataram vários exemplos do tipo de brilho esperado se o MacHOS estiver presente no halo da Via Láctea (Figura\(\PageIndex{4}\)). No entanto, não há machOS suficientes no halo da Via Láctea para explicar a massa da matéria escura no halo.
Esse resultado, junto com uma variedade de outros experimentos, nos leva a concluir que os tipos de matéria com os quais estamos familiarizados podem constituir apenas uma pequena porção da matéria escura. Outra possibilidade é que a matéria escura seja composta por algum novo tipo de partícula — uma que os pesquisadores agora estão tentando detectar em laboratórios aqui na Terra (veja The Big Bang).
Os tipos de partículas de matéria escura que astrônomos e físicos propuseram geralmente se enquadram em duas categorias principais: matéria escura quente e fria. Os termos quente e frio não se referem às temperaturas reais, mas sim às velocidades médias das partículas, análoga a como podemos pensar nas partículas de ar se movendo em seu quarto agora. Em uma sala fria, as partículas de ar se movem mais lentamente, em média, do que em uma sala quente.
No universo primitivo, se as partículas de matéria escura se moviam facilmente rápido e longe em comparação com os caroços e solavancos da matéria comum que eventualmente se tornaram galáxias e estruturas maiores, chamamos essas partículas de matéria escura quente. Nesse caso, protuberâncias e solavancos menores seriam manchados pelos movimentos das partículas, o que significa que menos galáxias pequenas seriam produzidas.
Por outro lado, se as partículas de matéria escura se moviam lentamente e cobriam apenas pequenas distâncias em comparação com os tamanhos dos caroços no universo primitivo, chamamos isso de matéria escura fria. Suas baixas velocidades e energia significariam que mesmo os pedaços menores de matéria comum sobreviveriam e se transformariam em pequenas galáxias. Ao observar quando as galáxias se formaram e como elas evoluem, podemos usar observações para distinguir entre os dois tipos de matéria escura. Até agora, as observações parecem mais consistentes com modelos baseados em matéria escura fria.
Resolver o problema da matéria escura é um dos maiores desafios que os astrônomos enfrentam. Afinal, dificilmente podemos entender a evolução das galáxias e a história de longo prazo do universo sem entender do que é feito seu componente mais massivo. Por exemplo, precisamos saber exatamente qual o papel da matéria escura no início das “sementes” de maior densidade que levaram à formação de galáxias. E como muitas galáxias têm grandes halos feitos de matéria escura, como isso afeta suas interações umas com as outras e as formas e tipos de galáxias que suas colisões criam?
Astrônomos armados com várias teorias estão trabalhando duro para produzir modelos de estrutura e evolução de galáxias que levem em consideração a matéria escura da maneira certa. Embora não saibamos o que é a matéria escura, temos algumas pistas sobre como ela afetou a formação das primeiras galáxias. Como veremos em The Big Bang, medições cuidadosas da radiação de microondas que sobrou após o Big Bang permitiram aos astrônomos estabelecer limites muito rígidos sobre os tamanhos reais dessas sementes iniciais que levaram à formação das grandes galáxias que vemos no universo atual. Os astrônomos também mediram os números relativos e as distâncias entre galáxias e aglomerados de tamanhos diferentes no universo atual. Até agora, a maioria das evidências parece pesar muito a favor da matéria escura fria, e a maioria dos modelos atuais de formação de galáxias e estruturas em grande escala usam matéria escura fria como ingrediente principal.
Como se a presença de matéria escura - uma substância misteriosa que exerce gravidade e supera todas as estrelas e galáxias conhecidas no universo, mas não emite nem absorve luz - não fosse suficiente, há um constituinte ainda mais desconcertante e igualmente importante do universo que só recentemente foi descoberto: nós chamaram isso de energia escura em paralelo com a matéria escura. Falaremos mais sobre isso e exploraremos seus efeitos na evolução do universo em The Big Bang. Por enquanto, podemos completar nosso inventário do conteúdo do universo observando que parece que o universo inteiro contém alguma energia misteriosa que separa o espaço-tempo, levando consigo galáxias e estruturas maiores feitas de galáxias. As observações mostram que a energia escura se torna cada vez mais importante em relação à gravidade à medida que o universo envelhece. Como resultado, a expansão do universo está se acelerando, e essa aceleração parece estar acontecendo principalmente porque o universo tinha cerca de metade de sua idade atual.
O que vemos quando observamos o universo — a luz de trilhões de estrelas em centenas de bilhões de galáxias envoltas em intrincados véus de gás e poeira — é, na verdade, apenas uma pitada de glacê em cima do bolo: como veremos em The Big Bang, quando olhamos para fora das galáxias e aglomerados de galáxias no universo como um todo, os astrônomos descobrem que para cada grama de matéria normal luminosa, como prótons, nêutrons, elétrons e átomos no universo, existem cerca de 4 gramas de matéria normal não luminosa, principalmente hidrogênio intergaláctico e hélio. Existem cerca de 27 gramas de matéria escura e o equivalente energético (lembre-se da famosa de Einstein\(E = mc^2\)) de cerca de 68 gramas de energia escura. A matéria escura, e (como veremos) ainda mais a energia escura, são demonstrações dramáticas do que tentamos enfatizar ao longo deste livro: a ciência é sempre um “relatório de progresso” e frequentemente encontramos áreas em que temos mais perguntas do que respostas.
Em seguida, vamos reunir todas essas pistas para traçar a história de vida das galáxias e da estrutura em grande escala no universo. O que se segue é o consenso atual, mas a pesquisa nesse campo está avançando rapidamente, e algumas dessas ideias provavelmente serão modificadas à medida que novas observações forem feitas.
Resumo
As estrelas se movem muito mais rápido em suas órbitas ao redor dos centros das galáxias e galáxias ao redor dos centros de aglomerados de galáxias, do que deveriam, de acordo com a gravidade de toda a matéria luminosa (estrelas, gás e poeira) que os astrônomos conseguem detectar. Essa discrepância implica que galáxias e aglomerados de galáxias são dominados pela matéria escura em vez da matéria luminosa normal. A lente gravitacional e a radiação de raios-X de aglomerados massivos de galáxias confirmam a presença de matéria escura. Galáxias e aglomerados de galáxias contêm cerca de 10 vezes mais matéria escura do que matéria luminosa. Embora parte da matéria escura possa ser composta de matéria comum (prótons, nêutrons e elétrons), talvez na forma de estrelas ou buracos negros muito fracos, a maior parte provavelmente consiste em algum tipo totalmente novo de partícula ainda não detectada na Terra. Observações de efeitos de lentes gravitacionais em objetos distantes foram usadas para procurar na região externa de nossa galáxia qualquer matéria escura na forma de estrelas compactas e escuras ou remanescentes de estrelas, mas não foram encontrados objetos suficientes para explicar toda a matéria escura.
Glossário
- matéria escura fria
- partículas massivas de movimento lento, ainda não identificadas, que não absorvem, emitem ou refletem luz ou outra radiação eletromagnética e que compõem a maior parte da massa de galáxias e aglomerados de galáxias
- energia escura
- uma energia que está fazendo com que a expansão do universo acelere; a fonte dessa energia ainda não foi compreendida
- matéria escura quente
- partículas massivas, ainda não identificadas, que não absorvem, emitem ou refletem luz ou outra radiação eletromagnética e que compõem a maior parte da massa de galáxias e aglomerados de galáxias; a matéria escura quente é um material que se move mais rápido do que a matéria escura fria