29.5: Do que o universo é realmente feito?
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Especifique qual fração da densidade do universo é contribuída por estrelas e galáxias e quanta matéria comum (como hidrogênio, hélio e outros elementos com os quais estamos familiarizados aqui na Terra) compõe a densidade geral
- Descreva como as ideias sobre o conteúdo do universo mudaram nos últimos 50 anos
- Explique por que é tão difícil determinar o que realmente é matéria escura
- Explique por que a matéria escura ajudou as galáxias a se formarem rapidamente no universo primitivo
- Resuma a evolução do universo desde o momento em que o CMB foi emitido até os dias atuais
O modelo do universo que descrevemos na seção anterior é o modelo mais simples que explica as observações. Ele assume que a relatividade geral é a teoria correta da gravidade em todo o universo. Com essa suposição, o modelo então explica a existência e estrutura do CMB; a abundância dos elementos leves deutério, hélio e lítio; e a aceleração da expansão do universo. Todas as observações até o momento apoiam a validade do modelo, que é chamado de modelo padrão (ou concordância) da cosmologia.
A figura\(\PageIndex{1}\) e a tabela\(\PageIndex{1}\) resumem as melhores estimativas atuais do conteúdo do universo. A matéria luminosa em estrelas, galáxias e neutrinos contribui com cerca de 1% da massa necessária para atingir a densidade crítica. Outros 4% estão principalmente na forma de hidrogênio e hélio no espaço entre as estrelas e no espaço intergaláctico. A matéria escura é responsável por cerca de 27% adicionais da densidade crítica. A massa equivalente da energia escura (de acordo com\(E = mc^2\)) então fornece os 68% restantes da densidade crítica.
| Objeto | Densidade como porcentagem da densidade crítica |
|---|---|
| Matéria luminosa (estrelas, etc.) | <1 |
| Hidrogênio e hélio no espaço interestelar e intergaláctico | 4 |
| Matéria escura | 27 |
| Densidade de massa equivalente da energia escura | 68 |
Esta mesa deve chocar você. O que estamos dizendo é que 95% do material do universo é matéria escura ou energia escura — nenhuma das quais jamais foi detectada em um laboratório aqui na Terra. Todo esse livro didático, que se concentrou em objetos que emitem radiação eletromagnética, geralmente ignora 95% do que está lá fora. Quem disse que ainda não há grandes mistérios a serem resolvidos na ciência!
\(\PageIndex{1}\)A figura mostra como nossas ideias sobre a composição do universo mudaram apenas nas últimas três décadas. A fração do universo que achamos ser feita das mesmas partículas dos estudantes de astronomia tem diminuído constantemente.
O que é matéria escura?
Muitos astrônomos acham a situação que descrevemos muito satisfatória. Vários experimentos independentes agora concordam sobre o tipo de universo em que vivemos e sobre o inventário do que ele contém. Parece que estamos muito perto de ter um modelo cosmológico que explica quase tudo. Outros ainda não estão prontos para entrar na onda. Eles dizem: “Mostre-me os 96% do universo que não conseguimos detectar diretamente — por exemplo, encontre um pouco de matéria escura!”
Inicialmente, os astrônomos pensaram que a matéria escura poderia estar escondida em objetos que parecem escuros porque não emitem luz (por exemplo, buracos negros) ou que são muito fracos para serem observados a grandes distâncias (por exemplo, planetas ou anãs brancas). No entanto, esses objetos seriam feitos de matéria comum, e a abundância de deutério nos diz que não mais do que 5% da densidade crítica consiste em matéria comum.
Outra forma possível que a matéria escura pode assumir é algum tipo de partícula elementar que ainda não detectamos aqui na Terra — uma partícula que tem massa e existe em abundância suficiente para contribuir com 23% da densidade crítica. Algumas teorias da física preveem a existência de tais partículas. Uma classe dessas partículas recebeu o nome de WIMPs, que significa partículas massivas que interagem fracamente. Como essas partículas não participam de reações nucleares que levam à produção de deutério, a abundância de deutério não impõe limites sobre quantos WIMPs podem estar no universo. (Várias outras partículas exóticas também foram sugeridas como constituintes primários da matéria escura, mas limitaremos nossa discussão aos WIMPs como um exemplo útil.)
Se existe um grande número de WIMPs, alguns deles deveriam estar passando por nossos laboratórios de física agora. O truque é pegá-los. Como, por definição, eles interagem apenas fracamente (com pouca frequência) com outra matéria, as chances de terem um efeito mensurável são pequenas. Não sabemos a massa dessas partículas, mas várias teorias sugerem que ela pode ser de algumas a algumas centenas de vezes a massa de um próton. Se os WIMPs tivessem 60 vezes a massa de um próton, haveria cerca de 10 milhões deles passando por sua mão estendida a cada segundo, sem absolutamente nenhum efeito sobre você. Se isso parecer muito incompreensível, tenha em mente que os neutrinos interagem fracamente com a matéria comum, mas ainda assim conseguimos “capturá-los” eventualmente.
Apesar dos desafios, mais de 30 experimentos projetados para detectar o WIMPS estão em operação ou em fase de planejamento. As previsões de quantas vezes os WIMPs podem realmente colidir com o núcleo de um átomo no instrumento projetado para detectá-los estão na faixa de 1 evento por ano a 1 evento por 1000 anos por quilograma de detector. Portanto, o detector deve ser grande. Ele deve ser protegido da radioatividade ou de outros tipos de partículas, como nêutrons, passando por ele e, portanto, esses detectores são colocados em minas profundas. A energia transmitida a um núcleo atômico no detector por colisão com um WIMP será pequena e, portanto, o detector deve ser resfriado a uma temperatura muito baixa.
Os detectores WIMP são feitos de cristais de germânio, silício ou xenônio. Os detectores são resfriados a alguns milésimos de grau — muito perto do zero absoluto. Isso significa que os átomos no detector estão tão frios que quase não vibram. Se uma partícula de matéria escura colidir com um dos átomos, isso fará com que todo o cristal vibre e, portanto, a temperatura aumente ligeiramente. Algumas outras interações podem gerar um flash de luz detectável.
Um tipo diferente de busca por WIMPs está sendo conduzido no Large Hadron Collider (LHC) no CERN, o laboratório europeu de física de partículas perto de Genebra, Suíça. Neste experimento, os prótons colidem com energia suficiente potencialmente para produzir WIMPs. Os detectores do LHC não podem detectar os WIMPs diretamente, mas se os WIMPs forem produzidos, eles passarão pelos detectores, levando energia consigo. Os experimentadores então somarão toda a energia que detectarem como resultado das colisões de prótons para determinar se falta alguma energia.
Até agora, nenhum desses experimentos detectou WIMPs. Os novos experimentos valerão a pena? Ou os cientistas terão que procurar alguma outra explicação para a matéria escura? Só o tempo dirá (Figura\(\PageIndex{3}\)).
Matéria escura e a formação de galáxias
Por mais elusiva que a matéria escura possa ser no universo atual, as galáxias não poderiam ter se formado rapidamente sem ela. As galáxias cresceram a partir de flutuações de densidade no universo primitivo, e algumas já haviam se formado apenas cerca de 400 a 500 milhões de anos após o Big Bang. As observações com WMAP, Planck e outros experimentos nos fornecem informações sobre o tamanho dessas flutuações de densidade. Acontece que as variações de densidade que observamos são muito pequenas para formar galáxias logo após o Big Bang. No universo quente e primitivo, os fótons energéticos colidiram com hidrogênio e hélio e os mantiveram em movimento tão rapidamente que a gravidade ainda não era forte o suficiente para fazer com que os átomos se unissem para formar galáxias. Como podemos conciliar isso com o fato de que as galáxias se formaram e estão ao nosso redor?
Nossos instrumentos que medem o CMB nos fornecem informações sobre flutuações de densidade apenas para matéria comum, que interage com a radiação. A matéria escura, como o próprio nome indica, não interage com os fótons. A matéria escura poderia ter tido variações muito maiores na densidade e ter sido capaz de se unir para formar “armadilhas” gravitacionais que poderiam então ter começado a atrair matéria comum imediatamente após o universo se tornar transparente. À medida que a matéria comum se tornava cada vez mais concentrada, ela poderia ter se transformado em galáxias rapidamente graças a essas armadilhas de matéria escura.
Para uma analogia, imagine uma avenida com semáforos a cada meia milha ou mais. Suponha que você faça parte de uma carreata de carros acompanhada por policiais que o conduzem por cada semáforo, mesmo que seja vermelho. Assim, também, quando o universo primitivo era opaco, a radiação interagia com a matéria comum, transmitindo energia a ela e levando-a adiante, varrendo as concentrações de matéria escura. Agora, suponha que a polícia saia da carreata, que então encontra alguns sinais vermelhos. Os semáforos funcionam como armadilhas de trânsito; os carros que se aproximam agora precisam parar, e então eles se agrupam. Da mesma forma, depois que o universo primitivo se tornou transparente, a matéria comum interagiu com a radiação apenas ocasionalmente e, portanto, poderia cair nas armadilhas de matéria escura.
O universo em poucas palavras
Nas seções anteriores deste capítulo, traçamos a evolução do universo progressivamente mais para trás no tempo. A descoberta astronômica seguiu esse caminho historicamente, à medida que novos instrumentos e novas técnicas nos permitiram sondar cada vez mais perto do início dos tempos. A taxa de expansão do universo foi determinada a partir de medições de galáxias próximas. Determinações das abundâncias de deutério, hélio e lítio com base em estrelas e galáxias próximas foram usadas para limitar a quantidade de matéria comum no universo. Os movimentos das estrelas nas galáxias e das galáxias dentro de aglomerados de galáxias só poderiam ser explicados se houvesse grandes quantidades de matéria escura. Medições de supernovas que explodiram quando o universo tinha cerca de metade da idade que agora indica que a taxa de expansão do universo se acelerou desde que essas explosões ocorreram. Observações de galáxias extremamente fracas mostram que as galáxias começaram a se formar quando o universo tinha apenas 400—500 milhões de anos. E as observações do CMB confirmaram as primeiras teorias de que o universo estava inicialmente muito quente.
Mas tudo isso se movendo cada vez mais para trás no tempo pode ter deixado você um pouco tonto. Então, agora, vamos mostrar como o universo evolui à medida que o tempo avança.
A figura\(\PageIndex{4}\) resume toda a história do universo observável desde o início em um único diagrama. O universo estava muito quente quando começou a se expandir. Temos restos fósseis do universo primitivo na forma de nêutrons, prótons, elétrons e neutrinos, e os núcleos atômicos que se formaram quando o universo tinha de 3 a 4 minutos de idade: deutério, hélio e uma pequena quantidade de lítio. A matéria escura também permanece, mas ainda não sabemos em que forma ela está.
O universo esfriou gradualmente; quando tinha cerca de 380.000 anos e a uma temperatura de cerca de 3000 K, elétrons se combinaram com prótons para formar átomos de hidrogênio. Nesse ponto, como vimos, o universo se tornou transparente à luz, e os astrônomos detectaram o CMB emitido nesse momento. O universo ainda não continha estrelas ou galáxias e, por isso, entrou no que os astrônomos chamam de “idade das trevas” (já que as estrelas não estavam iluminando a escuridão). Durante as centenas de milhões de anos seguintes, pequenas flutuações na densidade da matéria escura cresceram, formando armadilhas gravitacionais que concentraram a matéria comum, que começou a formar galáxias cerca de 400 a 500 milhões de anos após o Big Bang.
Quando o universo tinha cerca de um bilhão de anos, ele havia entrado em seu próprio renascimento: estava novamente brilhando com radiação, mas desta vez de estrelas recém-formadas, aglomerados de estrelas e pequenas galáxias. Nos próximos bilhões de anos, pequenas galáxias se fundiram para formar os gigantes que vemos hoje. Aglomerados e superaglomerados de galáxias começaram a crescer, e o universo finalmente começou a se assemelhar ao que vemos nas proximidades.
Durante os próximos 20 anos, os astrônomos planejam construir novos telescópios gigantes no espaço e no solo para explorar ainda mais no tempo. Em 2021, o Telescópio Espacial James Webb, um telescópio de 6,5 metros que é o sucessor do Telescópio Espacial Hubble, será lançado e montado no espaço. As previsões são de que, com esse poderoso instrumento (veja a Figura 29.1), devemos ser capazes de olhar para trás o suficiente para analisar em detalhes a formação das primeiras galáxias.
Conceitos principais e resumo
Vinte e sete por cento da densidade crítica do universo é composta de matéria escura. Para explicar tanta matéria escura, algumas teorias da física preveem que tipos adicionais de partículas devem existir. Um tipo recebeu o nome de WIMPs (partículas massivas que interagem fracamente), e os cientistas agora estão conduzindo experimentos para tentar detectá-las em laboratório. A matéria escura desempenha um papel essencial na formação de galáxias. Como, por definição, essas partículas interagem apenas muito fracamente (se é que interagem) com a radiação, elas poderiam ter se reunido enquanto o universo ainda estava muito quente e cheio de radiação. Assim, eles teriam formado armadilhas gravitacionais que rapidamente atraíram e concentraram a matéria comum depois que o universo se tornou transparente e a matéria e a radiação se dissociaram. Essa rápida concentração de matéria permitiu a formação de galáxias na época em que o universo tinha apenas 400-500 milhões de anos.
Glossário
- matéria escura
- material não luminoso, cuja natureza ainda não entendemos, mas cuja presença pode ser inferida por causa de sua influência gravitacional na matéria luminosa
- partículas massivas que interagem fracamente
- (WIMPs) partículas massivas que interagem fracamente são uma das candidatas à composição da matéria escura