Os astrónomos ainda estão numa fase inicial quando se trata de questões relativas à natureza e às propriedades da matéria escura.
A teoria sobre a existência desta substância foiapresentado há mais de 40 anos como uma explicação para a discrepância entre a massa de todos os objetos visíveis numa galáxia e a massa da própria galáxia. A astrônoma Vera Rubin, a primeira a descobrir a discrepância, determinou que esta substância invisível é extremamente comum e constitui a maior parte do Universo. Hoje conhecemos esta substância como matéria escura.
Vera Rubin. Foto: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu
Embora os astrônomos tenham pelo menos trêsevidência de que existe matéria escura, nenhuma das tentativas de detectar evidências diretas de sua existência e determinar suas propriedades não teve sucesso.
No entanto, o trabalho de cientistas da Universidade de Yale emliderado por Peter van Dokkum, publicado na revista Nature em março de 2018, os cientistas, mais do que nunca, aproximaram os cientistas da descoberta de mais uma prova da existência dessa substância.
O que os astrônomos sabem sobre a matéria escura?
A matéria escura é uma substância que não éinterage com outros assuntos por meio de forças nucleares eletromagnéticas (EM) ou fortes. A ausência de interações eletromagnéticas significa que não pode emitir, absorver, refletir, refratar ou difundir luz. Isto, naturalmente, torna um assunto bastante complicado para observação. No entanto, cerca de 85% de toda a matéria no universo é matéria escura.
Até agora, os cientistas não têm evidências práticas de que a matéria escura realmente exista, mas existe teoria. Aqui estão os três principais.
Curvas de rotação galáctica
Quando um objeto gira em torno de outro,um objeto em órbita deve ser constantemente acelerado para o centro (ou, mais precisamente, ambos aceleram para o centro de massa combinado). Sem essa aceleração, o corpo orbital simplesmente voará para longe.
Quanto mais rápido o corpo orbital se move,mais aceleração é necessária para mantê-lo em órbita. Como neste caso a aceleração é devida à gravidade, isso significa que a massa central deve ser maior.
Esse conhecimento permite aos cientistas "pesar" diferentespartes da galáxia, bem como medir as velocidades de rotação, comparando redshifts nos lados que se aproximam e recuam da galáxia. Ao ponderar, os astrônomos vêem uma discrepância entre a massa de todos os objetos na galáxia e sua massa total.
Redshift— mudança de linhas espectrais de elementos químicospara o lado vermelho (comprimento de onda longo). Este fenômeno pode ser uma expressão de espalhamento difuso fraco, efeito Doppler ou desvio para o vermelho gravitacional, ou uma combinação destes. A mudança das linhas espectrais nos espectros dos corpos celestes foi descrita pela primeira vez pelo físico francês Hippolyte Fizeau em 1848 e propôs o efeito Doppler causado pela velocidade radial da estrela para explicar a mudança.
Lente de gravidade
De acordo com a teoria geral da relatividade, qualquero tempo que passa pelo campo gravitacional é levemente distorcido. Atua como uma lente gravitacional e pode produzir, por exemplo, “anéis de Einstein”, como na imagem abaixo.
Teoria Geral da Relatividade de Einsteinque a gravidade de objetos espaciais tão grandes como as galáxias dobra o espaço ao seu redor e desvia os raios de luz. Quando isso ocorre, uma imagem distorcida de outra galáxia - a fonte de luz.
O “Anel Einstein” na imagem acima éimagem distorcida de uma galáxia (é destacada em azul), localizada atrás da outra galáxia (vermelha) no centro. A luz do azul se propaga em todas as direções, mas é curvada pela gravidade de uma galáxia vermelha. Isto significa que a luz, que, por exemplo, foi originalmente dirigida diretamente para a Terra, nunca chegará ao nosso planeta - ao contrário da luz, que teve uma direção diferente, mas foi distorcida por uma lente e procede de todas as direções ao mesmo tempo. Este processo explica a aparência do anel.
Em lentes gravitacionais fracas, estatísticaanalisar as distorções na luz que recebemos nos permite “perceber” o campo gravitacional entre a Terra e galáxias distantes. Muitas vezes há mais massa – e portanto mais matéria – neste campo do que os cientistas conseguem explicar.
Um exemplo de lente gravitacional, que do ponto de vista da teoria existente comprova a presença de matéria escura, é uma fotografia do aglomerado de galáxias Bullet, localizado na constelação de Carina.
A imagem mostra as consequências da colisão de duas galáxias. O vermelho na imagem mostra áreas de matéria visível, o azul mostra matéria escura, cuja presença é determinada por lentes gravitacionais.
Essa distinção se deve ao fato de queA maior parte da matéria luminosa em um aglomerado de galáxias está em meio intraclasse - em um plasma quente e denso. Quando partes do plasma colidem umas com as outras, uma quantidade significativa da substância desacelera e permanece no centro. Mas a matéria escura interage fracamente com a matéria, portanto seus componentes dos dois aglomerados podem passar livremente um pelo outro - isso leva à separação mostrada na foto.
Radiação relíquia
Durante as primeiras centenas de milhares de anos depoisNo Big Bang, o universo estava quente o suficiente para se tornar altamente ionizado. Isto tornou-o temporariamente quase opaco à luz – os fotões giravam como qualquer outra partícula. No entanto, quando as coisas esfriaram o suficiente, quantidades significativas de prótons e elétrons se combinaram para formar hidrogênio neutro, que se tornou suficientemente transparente para a maior parte da luz que o rodeava. Este processo aconteceu muito rapidamente (em termos de tempo cosmológico) - como resultado, toda a luz contida no Universo, relativamente falando, foi repentinamente liberada, tirando um instantâneo naquele estágio de sua evolução. Esta é uma maneira simplificada de descrever a radiação cósmica de fundo em micro-ondas.
Para detectar esta luz, os cientistas podemaponte os radiotelescópios em qualquer direção e, dependendo da área de observação, a temperatura mudará ligeiramente. A diferença de temperatura é explicada pela presença ou ausência de matéria escura nesta região.
O que é incomum encontrado na primeira galáxia?
DF2 é uma galáxia que faz parte de um grande grupoliderada pela enorme galáxia elíptica NGC 1052. A galáxia chamou a atenção dos cientistas porque parecia diferente nas fotografias tiradas pelo Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS). No primeiro, a galáxia apareceu como um ponto de luz fraca, enquanto no segundo, era um grupo de objetos pontuais.
Com base nessas observações, cientistas liderados porPeter van Dokkum identificou dez aglomerados globulares (grandes grupos de estrelas antigas) dentro da galáxia e descobriu que eles se movem três vezes mais devagar do que se houvesse muita matéria escura. O fato é que se a massa da galáxia fosse maior que a massa dos objetos visíveis, os aglomerados girariam mais rápido.
A comunidade científica avaliou criticamente a publicação— o erro dos pesquisadores foi observar apenas dez aglomerados e apenas por duas noites. Os céticos acreditavam que os cientistas podem ter negligenciado detalhes importantes sobre o movimento dos aglomerados de estrelas, resultando em distorções nas estimativas da massa da galáxia e da matéria visível.
E no segundo?
A única maneira de provar a exatidão de suasA observação foi a busca por uma segunda galáxia, que conteria a quantidade mínima de matéria escura - e em março de 2019 essa galáxia foi descoberta.
Os pesquisadores publicaram dois artigos científicos - emEles foram os primeiros a medir novamente a massa do DF2 usando a Câmera Avançada do Hubble e o telescópio de 10 metros do Observatório Keck, no Havaí. Desta vez, os astrônomos observaram não apenas a velocidade de movimento dos aglomerados, mas também a velocidade de rotação das estrelas dentro deles. Como resultado, os cientistas estabeleceram que DF2 é uma galáxia transparente e ultradifusa, cujo tamanho é aproximadamente igual ao da Via Láctea. Só que havia cerca de 200 vezes menos estrelas nele.
O segundo artigo foi dedicado à descoberta de taisGaláxias DF2 - DF4, que está localizado no mesmo aglomerado ao lado da galáxia NGC 1052. Os pesquisadores acreditam que, em primeiro lugar, galáxias com uma quantidade mínima de matéria escura não são incomuns e, segundo, que uma grande galáxia poderia “roubar” a escuridão importa de seus vizinhos menores.
Como a ausência de matéria escura pode ser evidência de sua existência?
Para entender a afirmação de que a ausência de um escuroA matéria em duas galáxias confirma sua presença no universo de acordo com a Teoria Geral da Relatividade, vale a pena considerar a crítica da idéia da presença da matéria escura.
Alguns cientistas não concordam que no universoexiste matéria escura, e a evidência teórica de sua presença é atribuída à chamada dinâmica newtoniana modificada (MOND). Essa teoria alternativa diz que a gravidade em escala cósmica não funciona da maneira que Isaac Newton ou Albert Einstein previram. Isso significa que a Teoria Geral da Relatividade, sobre a qual as teorias sobre a existência da matéria escura são construídas, não funciona no caso das galáxias.
Por exemplo, o físico teórico Erik Verlinde deA Universidade de Amsterdã publicou um artigo científico em 2016 que examinou a gravidade como um subproduto das interações quânticas e sugeriu que a gravidade adicional atribuída à matéria escura é um efeito da energia escura – energia de fundo tecida na estrutura do espaço-tempo do Universo.
Em outras palavras, Verlinde acredita que a matéria escura não é matéria, mas apenas uma interação entre a matéria comum e a energia escura.
Descoberta de cientistas da Universidade de Yaledemonstra que a matéria escura pode ser separada da matéria comum, desde que ambas as galáxias detectadas se comportem de acordo com a teoria padrão da gravidade. Ou seja, os processos que ocorrem neles podem ser explicados usando as equações descobertas por Newton e Kepler.
Quais são as perguntas
Descoberta por astrônomos, se bem-sucedidaconfirmado conclusivamente através de observações futuras, desafia a teoria existente sobre a formação de galáxias. Em particular, estamos falando sobre a suposição de que a NGC 1052 maior poderia “roubar” matéria escura de DF2 e DF4. Se isso for realmente possível, desde que a ordem observada em ambas as galáxias observadas seja preservada, então os astrônomos terão que reconsiderar completamente o mecanismo de sua formação e existência.
"Esperamos descobrir como é comumessas galáxias e se elas existem em outras áreas do universo. Queremos encontrar mais evidências que nos ajudem a entender como suas propriedades são consistentes ou inconsistentes com nossas teorias atuais. Esperamos que isso nos permita dar mais um passo na compreensão de um dos maiores mistérios do nosso universo - a natureza da matéria escura ”, disse Dokkum em uma conversa com a Astronomy.