ENERGIA ESCURA, MATÉRIA ESCURA

No começo dos anos 90, uma coisa era razoavelmente certa sobre a expansão do Universo. Ele deveria ter densidade energética o suficiente para conter sua expansão e sucumbir novamente, ele poderia ter tão pouca densidade energética que ele nunca pararia de se expandir, mas a gravidade seguramente iria retardar a expansão conforme o tempo passava. Nisso, o retardamento não havia sido observado, mas teoricamente, o Universo tinha de diminuir sua velocidade de expansão. Ele é cheio de matéria e a força atrativa da gravidade puxa toda a matéria junta. Então chegou 1998, junto com as observações do Telescópio Espacial Hubble de Supernovas muito distantes que mostraram que, há muito tempo, o Universo estava na verdade expandindo mais devagar do que agora. Então a expansão do Universo não estava diminuindo sua velocidade por causa da gravidade, como todos pensavam. Ela estava em aceleração. Ninguém esperava isso, ninguém sabia como explicar. Mas algo a estava causando.

Eventualmente, teóricos surgiram com três tipos de explicação. Talvez fosse resultado de uma versão da teoria da gravidade de Einstein há muito tempo descartada, uma que continha o que era chamado de “constante cosmológica”. Talvez houvesse algum estranho tipo de energia-fluida que preenchia o espaço. Talvez haja algo de errado com a teoria da gravidade de Einstein e uma nova teoria possa incluir algum tipo de campo que crie esse tipo de aceleração cósmica. Os teóricos ainda não sabem qual é a explicação correta, mas deram um nome à solução. Ela é chamada de energia escura.

O QUE É ENERGIA ESCURA?Mais é desconhecido do que conhecido. Sabemos quanta energia escura há, porque sabemos como ela afeta a expansão universal. Fora isso, é um completo mistério. Mas é um mistério importante. Acontece que por volta de 70% do universo é composto de energia escura. Matéria escura representa 25%. O resto – tudo na Terra, tudo o que já foi observado com todos os nossos instrumentos, toda a matéria normal – não chega nem a 5% do universo. Se pararmos para pensar, talvez não devêssemos chamar isso de matéria “normal”, já que é uma fração tão pequena do universo.

Uma explicação para a energia escura é que ela é uma propriedade do espaço. Albert Einstein foi a primeira pessoa a perceber que o espaço vazio não é “nada”. O espaço tem propriedades incríveis, muitas das quais estão apenas começando a ser compreendidas. A primeira propriedade que Einstein descobriu é que é possível passar a existir mais espaço. Então uma versão da teoria da gravidade de Einstein, a que contém uma constante cosmológica, dá um segundo preceito: “espaço vazio” pode possuir sua própria energia. Porque essa energia é uma propriedade do espaço por si só, ela não pode ser diluída conforme o espaço se expande. Conforme mais espaço passa a existir, mais dessa energia espacial aparece. Como resultado, essa forma de energia iria fazer com que o universo expandisse mais e mais rápido. Infelizmente, ninguém entende por que a constante cosmológica deveria estar ali em primeiro lugar, muito menos por que ela teria exatamente o valor preciso para causar a aceleração do universo observada.

Outra explicação para como o espaço adquire energia vem da teoria quântica da matéria. Nessa teoria, o “espaço vazio” está na verdade cheio de partículas temporárias (“virtuais”) que continuamente se formam e então desaparecem. Mas quando os físicos tentaram calcular quanta energia isso daria ao espaço vazio, a resposta veio errada – muito errada. O número veio 10120 vezes muito grande. Isso é um 1 com 120 zeros na frente. É difícil entender uma resposta tão ruim. Então o mistério continua.Outra explicação para a energia escura é que ela é um novo tipo de fluido ou campo energético dinâmico, algo que preenche todo o espaço, cujo efeito na expansão do universo é o oposto do da matéria e energia normais. Alguns teóricos deram a isso o nome “quintessência”, por causa do quinto elemento dos filósofos gregos. Mas, se a quintessência é a resposta, ainda não sabemos como ela é, com o que interage ou por que ela existe. Então o mistério continua.Uma ultima possibilidade é a de que a teoria da gravidade de Einstein não está correta. Isso afetaria não só a expansão do universo, mas também afetaria a maneira da qual a matéria comum em galáxias e aglomerados de galáxias se comportam. Esse fato iria prover uma maneira de decidir se a solução do problema da energia escura é uma nova teoria da gravidade ou não: poderíamos observar como galáxias se agrupam em aglomerados. Mas se o caso for que uma nova teoria da gravidade é necessária, que tipo de teoria ela seria? Como ela poderia descrever corretamente o movimento dos corpos no Sistema Solar, como a de Einstein conhecidamente faz, e ainda nos dar a predição diferente para o universo da qual precisamos? Há algumas teorias que são candidatas, mas nenhuma é persuasiva. Então o mistério continua.

O que é preciso para decidir entre as possibilidades da energia escura – uma propriedade do espaço, um novo fluido dinâmico, ou uma nova teoria da gravidade – é mais informação, dados melhores.

O QUE É MATÉRIA ESCURA?

Encaixando um modelo teórico da composição do universo para o conjunto combinado de observações cosmológicas, os cientistas surgiram com a composição que nós descrevemos acima, ~70% energia escura, ~25% matéria escura, ~5% matéria normal. O que é matéria escura?Estamos muito mais seguros do que energia escura não é do que estamos sobre o que ela é. Em primeiro lugar, ela é escura, significando que ela não está na forma de estrelas e planetas que vemos. Observações mostram que há muito pouca matéria visível no Universo para somar os 25% requeridos pelas observações. Em segundo lugar, não está na forma de nuvens escuras de matéria normal, matéria feita de partículas chamadas bárions. Sabemos disso porque seríamos capazes de detectar nuvens bariônicas pela sua absorção de radiação passando através delas. Em terceiro lugar, matéria escura não é antimatéria, porque não vemos os raios gama especiais que são produzidos quando antimatéria e matéria se aniquilam. Finalmente, podemos tirar de questão os grandes buracos negros do tamanho de galáxias a partir de quantas lentes gravitacionais podemos ver. Grandes concentrações de matéria desviam a luz que passa perto delas dos objetos que estão longe, mas não vemos eventos como esse o suficiente para sugerir que tais objetos somam a parcela de 25% de matéria escura.

Entretanto, a esse ponto, há ainda poucas possibilidades de matéria escura que são viáveis. Matéria bariônica ainda poderia ser considerada matéria escura se estivesse toda concentrada em anãs marrons ou em pequenos e densos aglomerados de elementos pesados. Essas possibilidades são conhecidas como “objetos de halo massivos compactos”, ou “MACHOs” (Massive compact halo objects). Mas a visão mais comum é a de que a matéria escura não é bariônica de maneira alguma, mas é feita de outras partículas mais exóticas como áxions ou WIMPS – Partículas Massivas de Fraca Interação (Weakly Interacting Massive Particles)

Original: Dark energy, dark matter – Nasa.gov

 

Posted in: Astronomia