Matéria Escura: Um dos Grandes Mistérios da Astrofísica

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Na cosmologia, matéria escura é uma forma postulada de matéria que não interage com a matéria comum; nem consigo mesma ou interage muito pouco com ela mesma. Ela só interage gravitacionalmente e, por isso, sua presença pode ser inferida a partir de efeitos gravitacionais sobre a matéria visível, como estrelas, galáxias e aglomerado de galáxias.

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História

O Que é Isso?

Composição: Bariônica vs. Não Bariônica

Candidatos

Detecção de Suas Partículas

História

Em palestra dada em 1884, Lord Kelvin estimou o número de corpos escuros na Via Láctea a partir da dispersão observada de velocidade das estrelas orbitando ao redor do centro da galáxia.

Usando essas medidas, ele estimou a massa da galáxia, que ele determinou ser diferente da massa de estrelas visíveis. Lord Kelvin concluiu assim que “muitas de nossas estrelas, talvez a grande maioria delas, podem ser corpos escuros”.

O primeiro a sugerir sua existência usando velocidades estelares, foi o astrônomo holandês Jacobus Kapteyn em 1922.

O holandês pioneiro e radioastronomista Jan Oort também levantou a hipótese da existência de matéria escura em 1932. Oort estava estudando movimentos estelares na vizinhança galáctica local. Descobriu que a massa no plano galáctico deveria ser maior do que foi observada. Medida que foi posteriormente determinada como errônea.

As primeiras indicações robustas de que a relação massa-luz era outra que a unidade; provinham de medições de curvas de rotação de galáxias. Em 1938, Horace W. Babcock relatou a curva de rotação para a nebulosa de Andrômeda; que sugeriu que a razão entre massa e luminosidade aumenta relativamente. A nebulosa de Andrômeda é conhecida agora como galáxia de Andrômeda.

Ele atribuiu isto à absorção de luz dentro da galáxia ou à dinâmica modificada nas porções externas da espiral. Não à falta de matéria.

Anos 70

Vera Rubin e Kent Ford nas décadas de 1960 e 1970 forneceram mais fortes evidências usando também curvas de rotação de galáxias. Rubin trabalhou com um novo espectrógrafo para medir a curva de velocidade de galáxias em espiral com maior precisão.

Uma corrente de observações na década de 1980 apoiou a presença de matéria escura. Incluindo lentes gravitacionais de objetos de fundo por aglomerados de galáxias; a distribuição de temperatura de gás quente em galáxias e aglomerados; e o padrão de anisotropias no fundo cósmico de microondas.

Segundo o consenso entre os cosmologistas, a matéria escura é composta por um tipo de partículas subatômicas ainda não caracterizadas. A busca por essa partícula, por uma variedade de meios, é um dos maiores esforços na física de partículas.

O Que é Isso?

A matéria escura é uma forma hipotética de matéria. Acredita-se, que seja responsável por aproximadamente 80% da matéria no universo e cerca de um quarto de sua densidade total de energia.

Acredita-se que a maioria da matéria escura seja de natureza não bariônica, composta de algumas partículas subatômicas ainda não descobertas. Sua presença está implícita em uma variedade de observações astrofísicas, incluindo efeitos gravitacionais que não podem ser explicados a menos que mais matéria esteja presente do que é possível.

Por essa razão, a maioria dos especialistas acha que a matéria escura é onipresente no universo. Tendo também uma forte influência em sua estrutura e evolução.

O nome matéria escura refere-se ao fato de que não parece interagir com radiação eletromagnética observável, como a luz, e é assim invisível (ou escuro) para todo o espectro eletromagnético, tornando extremamente difícil a detecção usando equipamentos astronômicos usuais.

Sua principal evidência é que os cálculos mostram que as galáxias voariam separadas em vez de girar, ou não teriam se formado ou se movido como estão, se não contivessem uma grande quantidade de matéria não vista.

Outras linhas de evidência incluem: observações em lentes gravitacionais, do fundo cósmico de microondas; observações astronômicas da estrutura atual do universo observável; da formação e evolução das galáxias e do movimento de galáxias dentro de aglomerados de galáxias.

No modelo padrão de cosmologia Lombda-CDM: a massa total de energia do universo contém 4,9% de matéria e energia comuns; 26,8% de matéria escura; e 68,3% de uma forma desconhecida de energia conhecida como energia escura.

Assim a matéria escura constitui 84,5% da massa total, enquanto a energia mais a matéria escura constituem 95,1% do conteúdo total massa-energia.

Mistérios da Matéria Escura

Como a matéria escura ainda não foi observada diretamente, ela mal deve interagir com a matéria e radiação bariônicas comuns.

O principal candidato é um novo tipo de partícula elementar que ainda não foi descoberto. Em particular, partículas massivas de interação fraca (WIMPs), ou partículas massivas que interagem gravitacionalmente.

Muitos experimentos para detectar e estudar partículas de matéria escura estão sendo realizados, mas nenhum foi bem sucedido.

A matéria escura é classificada como fria, morna ou quente de acordo com sua velocidade (mais precisamente, seu comprimento de fluxo livre). Os modelos atuais favorecem um cenário de matéria escura e fria, no qual as estruturas emergem pelo acumulo gradual de partículas.

Embora a existência da matéria escura seja aceita pela comunidade científica, alguns astrofísicos, intrigados por certas observações que não se encaixam na teoria da matéria escura, defendem várias modificações das leis padrão da relatividade geral, como MOND, TeVes ou gravidade entrópica. Esses modelos tentam explicar todas as observações sem invocar a matéria suplementar não bariônica.

Composição: Bariônica vs. Não Bariônica

A matéria escura pode se referir a qualquer substância que interaja predominantemente via gravidade com matéria visível. Portanto, em princípio, ele não precisa ser composto de um novo tipo de partícula fundamental; mas poderia, pelo menos em parte, ser composto de um novo tipo de partícula; ou poderia, pelo menos em parte, ser composto de matéria bariônica padrão, como prótons ou nêutrons.

No entanto, pelas razões descritas abaixo, a maioria dos cientistas pensa que a matéria escura é dominada por um componente não bariônico, composto por uma partícula fundamental atualmente desconhecida.

Matéria Bariônica

Os bárions (prótons e nêutrons) formam estrelas e planetas comuns. No entanto, a matéria bariônica também abrange buracos negros menos comuns, estrelas de nêutrons, velhas anãs brancas e anãs marrons, coletivamente conhecidas como maciços objetos de halo compactos, que podem ser difíceis de detectar.

No entanto, várias linhas de evidências sugerem que a maioria da matéria escura não é composta de bárions:

  • Gás ou poeira bariônica difusos e suficientes seriam visíveis quando retroiluminado por estrelas.
  • A teoria da nucleossíntese do big bang prevê a abundância observada dos elementos químicos. Se houver mais bárions, então também deve haver mais hélio, lítio e elementos mais pesados sintetizados durante o big bang. A concordância com as abundancias observadas requer que a matéria bariônica seja de 4% a 5% da densidade crítica do universo. Em contraste, estrutura em larga escala e outras observações indicam que a densidade total da matéria é de cerca de 30% da densidade crítica.
  • Pesquisas astronômicas sobre microlentes gravitacionais na via láctea descobriram que no máximo uma pequena fração da matéria escura pode estar em objetos compactos, escuros e convencionais; a faixa excluída de massas de objetos é de metade da massa da Terra até 30 massas solares. O que cobre quase todos os candidatos plausíveis.
  • Análise detalhada das pequenas irregularidades (anisotropias) no fundo de microondas cósmicas. Observações da WMAP e Planck indicam que cerca de cinco sextos da matéria total está em uma forma que interage significativamente com matéria comum ou fótons apenas através de efeitos gravitacionais.

Matéria Não Bariônica

Candidatos para matéria escura não bariônica são: partículas hipotéticas como axions, neutrinos estéreis; partículas massivas de interação fraca (WIMPs); partículas massivas que interagem gravitacionalmente (GIMPs), ou partículas supersimétricas.

Os três tipos de neutrinos já observados são de fato abundantes, escuros e matéria, mas porque suas massas individuais – por mais incertas que sejam – são quase minúsculas. Elas podem fornecer apenas uma pequena fração de matéria escura; devido a limites derivados de grandes estruturas em escala e galáxias de alto desvio para o vermelho.

Diferente da matéria bariônica, a matéria não bariônica não contribuiu para a formação dos elementos no universo primordial e, portanto, sua presença é revelada apenas por meio de seus efeitos gravitacionais ou lente fraca.

Além disso, se as partículas de que é composto são supersimétricas, elas podem sofrer interações de aniquilação consigo mesmas, possivelmente resultando em subprodutos observáveis, como raios gama e neutrinos.

Agregação de Matéria Escura e Objetos Densos de Matéria Escura

Se a matéria escura é tão comum quanto às observações sugerem, uma questão óbvia é se ela pode formar objetos equivalentes a planetas, estrelas ou buracos negros. A resposta tem sido historicamente que não pode, por causa de dois fatores:

Primeiro Fator

Falta-lhe um meio eficiente de perder energia: A matéria comum forma objetos densos porque tem inúmeras maneiras de perder energia. Perder energia seria essencial para a formação de objetos, porque uma partícula que ganha energia durante a compactação ou caindo “para dentro” sob gravidade e não pode perdê-la de outra maneira, vai aquecer e aumentar a velocidade e o momento.

A matéria escura parece não ter meios para perder energia, simplesmente porque não é capaz de interagir fortemente de outras maneiras, exceto através da gravidade. O teorema de Virial sugere que tal partícula não permaneceria ligada ao objeto que se formava gradualmente. À medida que o objeto começava a se formar e a se compactar, as partículas de matéria escura dentro dele aceleravam e tendiam a escapar.

Segundo Fator

Falta uma gama de interações necessárias para formar estruturas: A matéria comum interage de muitas maneiras diferentes. Isso permite que ele forme estruturas mais complexas. Por exemplo, as estrelas que se formam através da gravidade, mas as partículas dentro delas interagem e podem emitir energia na forma de neutrinos e radiação eletromagnética através da fusão quando elas se tornam energéticas o suficiente.

Os prótons e nêutrons podem se ligar através da interação forte e em seguida, formar átomos com elétrons em grande parte por meio de interação eletromagnética. Mas não há evidências de que a matéria escura seja capaz de uma variedade tão grande de interações, pois parece interagir apenas por gravidade e por alguns meios, não é mais forte do que a interação fraca. (embora isso seja especulativo até que a matéria escura seja melhor compreendida).

Debates

Esta questão foi debatida fortemente nos últimos anos. Em 2016-2017, a ideia de matéria escura densa ou de matéria escura serem buracos negros primordiais, retornou após os resultados da detecção de ondas de gravitação.

Estes foram novamente descartados em dezembro de 2017, mas a pesquisa e as teorias baseadas neles continuam em 2018, incluindo abordagens para o resfriamento da matéria escura, e a questão não está de modo algum resolvida.

Candidatos

Pesquisadores acreditam que o problema da matéria escura desaparecida do universo seria uma partícula mais exótica. Essa matéria é suscetível de fornecer a resposta para a falta de massa. Os físicos identificaram os três tipos mais prováveis de matéria escura e as partículas candidatas associados com cada tipo.

Matéria Escura Fria

A candidata mais provável é a matéria escura fria. No entanto, não há uma forte candidata de partícula conhecida. A principal candidata a “CDM” é conhecida como uma partícula massiva de interação fraca. No entanto, há uma ausência geral de justificação para a existência de tais partículas; ou seja, os pesquisadores não estão certos de como elas iriam aparecer sob circunstância natural.

As mais populares à matéria escura não bariônica são: os áxions, os neutrinos estéreis e os neutralinos (WIMPs); partículas massivas, que interagem fracamente, necessárias para explicar certo fenômeno na cromodinâmica quântica.

Matéria Escura Morna

Esta forma de matéria escura é proposta por cientistas, ser composta por neutrinos estéreis. Estas são partículas semelhantes aos neutrinos normais, com exceção do fato de que elas são muito mais massivas e não interagem com a força fraca.

Outra candidata a matéria escura morna é o gravitino. Esta é uma partícula teórica que existiria se a teoria da supergravidade ganhasse credibilidade junto aos estudiosos da área. A supergravidade é uma mistura de relatividade geral e supersimetria

Matéria escura Quente

O subconjunto de partículas consideradas matéria escura quente são as únicas que a existência são realmente conhecida: Neutrinos. O problema com essa explicação é que os neutrinos viajam quase à velocidade da luz e, portanto, não iriam se aglomerar em um conjunto da maneira que projetamos a matéria escura.

Além disso, dado que o neutrino é quase sem massa, uma incrível quantidade deles seria necessário para suprir o déficit necessário de matéria. Uma explicação para matéria escura quente é que existe um tipo ou sabor de neutrino ainda não detectado. Seria semelhante aos já conhecidos exceto que teria uma massa significativamente maior e talvez velocidade mais lenta.

Detecção de Suas Partículas

Se a matéria escura é composta de partículas subatômicas, então milhões, possivelmente bilhões dessas partículas devem passar por cada centímetro quadrado da Terra a cada segundo. Muitos experimentos visam testar essa hipótese.

Embora os WIMPs sejam candidatos populares, o Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) procura axions. Outro candidato é uma pesada partícula oculta do setor que interage apenas com a matéria comum por meio da gravidade.

Esses experimentos podem ser de duas classes. Experimentos diretos de detecção, que buscam a dispersão de partículas de matéria escura em núcleos atômicos dentro de um detector; e detecção indireta, que procura os produtos de aniquilação ou decaimento de partículas de matéria escura.

Detecção Direta

Experimentos de detecção direta visa observar recursos de baixa energia de núcleos induzidos por interações com partículas de matéria escura; que em teoria estão passando pela Terra.

Após esse recuo, o núcleo emitirá energia como, por exemplo, luz de cintilação ou fótons, que é então detectado por aparelhos sensíveis. Para fazer isso de forma eficaz, é crucial manter um baixo histórico e assim tais experimentos operam no subsolo profundo para reduzir a interferência dos raios cósmicos.

Detecção Indireta

Experimentos de detecção indireta buscam os produtos da autoaniquilação ou decaimento de partículas de matéria escura no espaço exterior. Por exemplo, em regiões de alta densidade de matéria escura, como o centro de nossa galáxia, duas partículas de matéria escura poderiam ser aniquiladas para produzir raios gama ou de partículas antipartículas modelo padrão.

Alternativamente, se a partícula de matéria escura é instável, ela poderia decair em partículas de modelo padrão ou outras. Esses processos podem ser detectados indiretamente através de um excesso de raios gama, antiprótons ou pósitrons provenientes de regiões de alta densidade em nossa galáxia ou outras.

Uma grande dificuldade inerente a tais buscas é que várias fontes astrofísicas podem imitar o sinal esperado da matéria escura, e assim múltiplos sinais são provavelmente necessários para uma descoberta conclusiva.

Conclusão

Collider Procura por Matéria Escura

Uma abordagem alternativa para a detecção de partículas de matéria escura na natureza é produzi-las em laboratório. Experimentos com o Large Hadron Collider (LHC) podem ser capazes de detectar partículas de matéria escura produzidas em colisões dos feixas de prótons do LHC.

Como uma partícula de matéria escura deve ter interações desprezíveis com matéria visível normal; ela pode ser detectada indiretamente como grandes quantidades de energia e momento perdidos que escapam dos detectores. Desde que outros produtos de colisão não negligenciáveis sejam detectados.

Restrições sobre a matéria escura também existem a partir do experimento LEP usando um principio similar, mas sondando a interação de partículas de matéria escura com elétrons ao invés de quarks.

É importante notar que qualquer descoberta de pesquisa de colisão deve ser corroborada por descobertas nos setores de detecção indireta ou direta para provar que a partícula descoberta é, de fato, a matéria escura do nosso Universo.

Referências

  1. Wikipédia, Dark Matter, disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter>.
  2. Wikipédia, Matéria Escura, disponível neste link.

Imagem Wikimedia Commons.

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