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Matéria escura
 
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Tudo à nossa volta é composto por átomos: carros, computadores, planetas, estrelas, meteoros etc. Estes átomos, por sua vez, são formados por prótons, nêutrons e elétrons. No entanto, existem muitos indícios de que a maior parte da matéria existente no universo não seja constituída exclusivamente destes elementos. É possível que boa parte de nosso universo seja composto do que vem sendo chamado de “matéria escura”. Especula-se que o universo seja composto por três coisas: a matéria escura, a energia escura (que conjuntamente representariam 95% da matéria do universo), e a matéria visível "comum" (0,5%).


Galáxia
NGC 253 ou Galáxia do Escultor, uma das inúmeras galáxias do universo. Foto: teredura58 on VisualHunt / CC BY-NC-SA.

Entre os fenômenos observados que são consistentes com a existência da matéria escura estão: a velocidade rotacional das galáxias, lentes gravitacionais, e a distribuição de temperatura de gás quente em galáxias e aglomerados. Falaremos um pouco de cada um destes fenômenos ao longo do texto.

Estas estranhas partículas que formariam a tal matéria escura não interagem com a radiação eletromagnética, fazendo com que a matéria formada por elas seja invisível. Elas não absorvem nem refletem a luz de qualquer comprimento de onda. E como não pode ser vista por telescópios (desde radiotelescópios aos telescópios de raios-X), a matéria escura é um componente do universo que só pode ser detectado por meio de sua atração gravitacional, que afeta, por exemplo, o movimento de objetos visíveis como estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias.



PRIMEIRA EVIDÊNCIA OBSERVACIONAL
A existência da matéria escura foi proposta, pela primeira vez, pelo astrônomo suíço-americano Fritz Zwicky, em 1933. Zwicky nasceu em Varna, Bulgária, em 1898, filho de um comerciante suíço. Aos seis anos, ele foi enviado para a Suíça para estudar e em 1925, ele se mudou para os EUA e foi trabalhar no Instituto de Tecnologia da Califórnia, em Pasadena.

Zwicky e o astrônomo alemão Walter Baade utilizaram um novo e revolucionário telescópio que estava localizado em um observatório no topo da montanha Mount Palomar, no sul da Califórnia. O objetivo deles era fotografar grandes áreas do céu de maneira rápida, com pouca distorção, e tendo como intuito, mapear centenas de milhares de galáxias, o que hoje é chamado de catálogo de Galáxias Zwicky. O que eles descobriram foi que as galáxias tendiam a se agrupar, abrindo um novo capítulo na história da astronomia e da cosmologia.

Zwicky aplicou ao aglomerado de galáxias Coma o teorema virial (que é um teorema da mecânica clássica que estabelece a relação entre a energia cinética e potencial de uma estrutura em equilíbrio) e constatou que se somássemos toda a massa de todas as estrelas do aglomerado, isto equivaleria a apenas 1% da massa necessária para impedir que as galáxias escapassem da força gravitacional do aglomerado. Ou seja, parece haver uma massa “perdida” responsável pelo restante da força gravitacional. Outra constatação de Zwicky é a de que as galáxias estavam girando muito mais rápido que o esperado, especialmente se observarmos as bordas dos aglomerados. A essas velocidades, as galáxias individuais deveriam ter quebrado sua força gravitacional, dispersando o aglomerado. Na prática, não era isso que acontecia. Assim, segundo ele, haveria apenas uma explicação possível: deveria haver outra fonte de gravidade, poderosa o suficiente para manter o aglomerado, dadas as velocidades de revolução dos corpos observáveis.

Mas o que poderia fornecer uma força de campo gravitacional tão grande, suficiente para amarrar galáxias inteiras - e por que ele não viu essa ‘massa ausente’? Apesar de não ter encontrado uma resposta imediata para esta pergunta, os trabalhos de Zwicky iniciaram um novo campo de pesquisa, hoje denominado “matéria escura”. Provar sua existência e determinar suas propriedades é uma das missões mais almejadas da física moderna.


VELOCIDADE DE ROTAÇÃO DAS GALÁXIAS
Como vimos, então, boa parte da evidência acerca da existência da matéria escura está relacionada ao estudo dos movimentos das galáxias. Na prática, estrelas distantes do centro das galáxias têm velocidades muito mais altas do que o previsto pelo teorema de virial. Estas curvas de rotação galáctica, que ilustram a velocidade de rotação versus a distância do centro galáctico, não podem ser explicadas apenas pela matéria visível e, neste sentido, assumir que o material visível compõe apenas uma pequena parte do aglomerado é a maneira mais direta de explicar isso.

Até os anos de 1970, esta massa perdida permaneceu um pouco esquecida, até que os astrônomos americanos Vera Rubin e W. Kent Ford, da Carnegie Institution of Washington (CIW), se debruçaram a fazer observações sobre a velocidade das galáxias. Já no final da década de 1960, Vera Rubin e seu colaborador frequente W. Kent Ford começaram a estudar o gás e a poeira em nossa galáxia vizinha: Andrômeda. Eles estavam efetivamente testando um novo instrumento projetado por Ford que fornecia um nível de precisão anteriormente indisponível. O que eles descobriram os surpreendeu: o gás e a poeira rodopiando nas bordas externas da galáxia estavam girando tão rápido quanto o gás e a poeira perto do centro da galáxia. Se a galáxia realmente estivesse girando a esse ritmo, ela deveria estar se fragmentando em todas as direções, mas claramente ela estava estável. Este resultado sugeria duas coisas: ou a gravidade newtoniana não pode ser aplicada ao universo como um todo (o que é problemático) ou que mais de 50% da massa de galáxias era constituída de uma matéria não visível. Embora a explicação para esse comportamento estranho não tenha ficado clara para Rubin até dois anos depois, essas impressões representaram uma forte evidência direta de matéria escura. Rubin e Ford publicaram seus resultados em 1970.

As observações de Rubin foram confirmadas ao longo do tempo. Medições de curvas de velocidade em galáxias espirais foram logo seguidas por medições da velocidade de dispersão em galáxias elípticas. Da mesma forma, as medições do gás interestelar difuso encontrado na borda das galáxias indicam as distribuições de matéria escura que se estendem além do limite visível das galáxias. Estas novas medições nos mostram que a porcentagem de matéria escura no universo é cerca de 95%, muito maior que aquela proposta por Rubin. Estas partículas invisíveis enxameiam, fluem e batem por todo o cosmos. Afetam como as estrelas se movem dentro das galáxias, como as galáxias se aglutinam e determinam como tudo isso se agrupa em primeiro lugar. Uma bonita imagem é a de que a matéria escura é para o cosmos assim como o ar é para os seres humanos: onipresente, necessário, invisível, mas influente.

Recentemente (2005), astrônomos da Universidade de Cardiff alegaram ter descoberto uma galáxia composta quase que inteiramente de matéria escura, no aglomerado de virgo, que foi chamada de VIRGOHI21.


A TEMPERATURA DOS GASES E AS LENTES GRAVITACIONAIS
Outra forma de identificar a existência de matéria escura é analisar a temperatura dos gases em aglomerados de galáxias. Quando são feitas medições raios-X do gás quente que se encontram dentro dos aglomerados, temos um valor que corresponde exatamente às observações de Zwicky (uma propoção masssa-luz de quase 10 para 1).

Um exemplo disso foi identificado no observatório de raios-X Chandra, que observou no aglomerado Bala (em inglês “cluster Bullet”), que é um aglomerado formado por duas galáxias que se fundiram, que o gás quente (matéria visível comum) é refreado pelo efeito de arrasto (drag effect) de um aglomerado passando pelo outro. A massa dos aglomerados, no entanto, não foi afetada, indicando que a maior parte da massa consiste em matéria escura.

Outra ferramenta importante para futuras observações da matéria escura são as lentes gravitacionais. Lente gravitacional é uma distorção no espaço-tempo causada pela presença de um corpo de grande massa entre um objeto e um observador. A lente gravitacional está ligada aos efeitos da relatividade geral e, por isso, é uma forma totalmente independente de medir a matéria escura. Lentes fortes, que são distorções observadas em galáxias de fundo nos arcos quando a luz passa através de uma lente gravitacional, foram observadas em torno de alguns aglomerados distantes. Se medirmos a geometria da distorção, é possível obter a massa do aglomerado causador dos fenômenos. Nos casos em que isso foi feito, as relações entre massa e luz foram compatíveis com a tese da matéria escura.


COMPOSIÇÃO DA MATÉRIA ESCURA
Agora, qual seria a composição desta estranha matéria? Existem, aparentemente, duas variedades de matéria escura. A primeira delas é composta por bárions comuns (por exemplo, prótons, neutros e núcleos atômicos), o mesmo tipo de matéria que compõe as estrelas e galáxias luminosas. Tal variedade corresponde a 4,5% do universo. Supostamente, a maior parte dessa matéria escura bariônica existe na forma de gás e está localizada tanto dentro de galáxias quanto entre galáxias. A forma que usamos para determinar esse componente bariônico, ou comum, da matéria escura é por meio da constatação da abundância de elementos mais pesados que o hidrogênio, criados nos primeiros minutos após o Big Bang, que ocorreu 13,8 bilhões de anos atrás.

O restante da matéria escura (algo que compreende 26,1% do universo) está em uma forma não familiar e não bariônica. A taxa em que galáxias e grandes estruturas compostas por galáxias se aglutinaram por flutuações de densidade no início do universo indica que esta matéria escura não bariônica é relativamente “fria” ou “não relativística”. O que significa isso? Significa dizer que a estrutura base das galáxias e aglomerados de galáxias é feita de partículas pesadas e de movimento bastante lento. Além disso, a ausência de luz destas partículas nos indica que elas são neutras, do ponto de vista eletromagnético.

Devido a estas características, estas partículas são denominadas: partículas massivas de interação fraca (na sigla em inglês, WIMPs). A natureza exata destas partículas ainda não é conhecida, e mesmo os modelos padrão de física de partículas não as preveem. De qualquer forma, há uma séria de possíveis extensões do modelo padrão, tais como a supersimetria, que predizem partículas elementares, tais como os àxions e os neutralinos, que poderiam ser WIMPs não detectados.

Muitos cientistas estão empenhados na busca de detectar e medir as propriedades destas partículas invisíveis, seja observando o impacto em um detector de laboratório, seja analisando suas aniquilações após a colisão umas com as outras. Há ainda a esperança de que sua presença e massa sejam inferidas de experimentos em novos aceleradores de partículas, tais como o Grande Colisor de Hádrons.


EXPLICAÇÕES ALTERNATIVAS
Como alternativa à tese da matéria escura, alguns cientistas defendem algumas modificações na concepção newtoniana de gravidade para explicar a presença aparente desta "matéria ausente". Neste sentido, as inconsistências observadas no movimento das galáxias e aglomerados de galáxias seriam fruto de um entendimento incompleto da gravitação. Talvez, a força gravitacional tenha uma força maior que a prevista pela física newtoniana em grandes distâncias ou e campos fracos. Um dos modelos propostos é a Dinâmica Newtoniana Modificada (ou na sigla em inglês: MOND). No entanto, a construção de uma teoria relativística de tipo MOND tem sido insatisfatória por razões teóricas, pois fornece pouca ou nenhuma explicação para a modificação da gravidade, e não está claro como a teoria pode ser reconciliada com medidas de lentes gravitacionais da deflexão da luz em torno das galáxias. Além disso, estas teorias também são incapazes de explicar as observações da matéria escura fisicamente separadas da matéria comum no aglomerado Bala. Essa separação nos indica que a matéria escura é uma realidade física e é distinguível da matéria comum.

Outra alternativa é conciliar a gravitação com a mecânica quântica e obter algumas correções na interação gravitacional convencional, mas estudos nesta área estão apenas se iniciando. Palavras-chave: matéria escura, matéria, universo, galáxias, física, astronomia, energia mecânica.


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