Curiosidades sobre Matéria Escura

Curiosidades sobre Matéria Escura

ESCRITO POR THIAGO M. GUIMARÃES

O que é matéria escura?

“A natureza da matéria escura ainda é desconhecida, mas alguns indicios mostram que ela não seria formada por matéria comum (quarks e elétrons). O modelo mais aceito é que a matéria escura é composta em grande parte por partículas exóticas que se formaram no início do universo.”

Para uma substância que é totalmente invisível, ela faz um trabalho extraordinariamente bom em mostrar sua presença. Isso graças a força inexorável de sua gravidade que molda as galáxias, aglomerados de galáxias e estruturas cósmicas ainda maiores.

Na década de 30, Fritz Zwicky percebeu que aglomerados de galáxias poderiam ser constituídos predominantemente de matéria de uma forma não luminosa. Iniciando assim a busca pela matéria escura, que tem dominado a cosmologia por mais de meio século.

Ainda não existe nenhuma resposta concreta sobre o que ela é, mas está se tornando cada vez mais claro o que não é. Atualmente as observações detalhadas da radiação cósmica de fundo com o satélite WMAP mostram que a matéria escura não pode ser constituída de matéria normal que é composta por barions, ou seja, quarks e elétrons. Isso exclui a possibilidade dela ser um gás quente, gás frio, anãs marrons, anãs vermelhas, anãs brancas, estrelas de nêutrons e buracos negros.

Apesar dos buracos negros parecerem candidatos ideais à matéria escura, a massa deles é proveniente do colapso de estrelas massivas que são muito mais escassas do que estrelas normais, as quais contêm, no máximo, um quinto da massa de matéria escura. Além disso, os processos que produzem buracos negros suficientes para explicar a matéria escura teria que liberar uma grande quantidade de energia e elementos pesados, não há nenhuma evidência de tal liberação.

A matéria escura é tão complicada de se analisar que os detectores ao longo do tempo foram dando vários resultados estranhos e contraditórios. Dois experimentos independentes mostram o que parece ser um fluxo de matéria escura fluindo através de seu detector. Outro detector pode ter visto um punhado de matéria escura, embora os cientistas tenham descartados como ruído de fundo. E ainda outro experimento não encontrou nenhuma evidência de matéria escura.

Felizmente, é provável que essa confusão seja temporária. Detectores de matéria escura estão cerca de 1.000 vezes mais sensível, aos eventos de raios ultra-raros, do que eram há 20 anos e que deve aumentar em mais um fator de 100 ao longo da próxima década, já que os físicos construíram detectores maiores e se tornam mais hábeis em suprimir o ruído de fundo o que podem ser confundidos com sinais reais.

Matéria escura fria, morna, quente?

“Existem 3 possibilidades para matéria escura: a quente refere-se a partículas rápidas, tais como os neutrinos. A  fria seriam as partículas que se movem mais lentamente, as chamadas WIMPs, tendo partículas hipotéticas como neutralinos, gravitinos e axinos. Já a matéria escura morna seriam as partículas com velocidades intermediárias entre a matéria escura quente e fria. “

Os possíveis candidatos para matéria escura podem ser agrupados em três grandes categorias: quente, morna e fria. Esta classificação tem consequências observacionais no tamanho dos aglomerados¹ que colapsaram na expansão do universo.

A matéria escura quente é formada por partículas, tais como os neutrinos, que estão se movendo a uma velocidade próxima à da luz. Devido a essa alta velocidade, grupos destas partículas – com massa de uma galáxia – podem se dispersar muito rapidamente.

Além disso, no inicio do Universo podia-se formar apenas nuvens com uma massa muito grande  (de milhares de galáxias), isto é, o tamanho de aglomerados. Galáxias individuais só se formariam mais tarde, assim como os grandes clusters do tamanho nuvens fragmentadas.

Em contraste, a matéria escura fria seria formada por partículas que se moveriam mais lentamente. Suas partículas podem formar aglomerados de galáxia menores, comparado com os aglomerados que a matéria escura quente formaria.

As observações com o Chandra mostram muitos exemplos de que clusters estão sendo construídos pela fusão de grupos e sub-aglomerados de galáxias. Isso é outra evidência que mostra que as galáxias são mais velhas do que os grupos, além de que aglomerados de galáxias podem apoiar fortemente a existência da matéria escura fria.

Os principais candidatos para a matéria escura fria são partículas chamadas WIMPs, as quais não são previstas pelo modelo padrão de partículas elementares.

Tentativas de construir uma teoria unificada para todas as partículas elementares sugerem que WIMPs podem ter sido produzidas em grande número ainda nas primeiras frações de segundo de idade do universo.

Um típico WIMP está previsto para ser pelo menos 100 vezes a massa de um átomo de hidrogénio. Criaturas possíveis no zoológico de WIMPs hipotéticos são neutralinos e gravitinos e axinos. Outras possibilidades que foram discutidas incluem os neutrinos estéreis e excitações de Kaluza-Klein relacionadas com dimensões extras do Universo.

A matéria escura morna é composta por  partículas com velocidades intermediárias entre quente e frio matéria escura.

¹Aglomerados são enormes grupos de estrelas.

Comprovação da matéria escura?

“Ainda não temos comprovações diretas que a matéria escura exista realmente, mas diversos indícios indiretos demonstram que há grande chance dela existir e compor cerca de 22% do universo. Como ela não emite radiação, e parece interagir pouco com a matéria ordinária, fica mais difícil sua detecção.”

Como antes mencionado, a matéria escura seria uma matéria invisível a nós, ou seja, que não emite radiação eletromagnética. As evidênicas da presença da matéria escura somente aparecem em grandes escalas, que temos como exemplos: a velocidade de rotação das galáxias espirais, o confinamento de gás quente em galáxias e aglomerados de galáxias, os movimentos aleatórios das galáxias em aglomerados, o efeito de lente gravitacional de objetos de fundo, e as flutuações observadas na radiação cósmica de fundo exigem a presença de gravidade adicional. Tentaremos explicar algumas delas.

Aglomerados de galáxias

Uma das primeiras evidências da existência de matéria escura surgiram através do estudo do movimento orbital das galáxias em aglomerados  (que contêm tipicamente de centenas a milhares de galáxias), como o aglomerado de Coma e de Virgem. O que estes estudos encontraram foi que as velocidades das galáxias eram da ordem de dez a cem vezes maiores do que se esperava. “Thaisa IF UFRGS”

Curvas de rotação de galáxias

Medir a aceleração da matéria orbitando um objeto é o método básico para determinar a massa desse objeto. Por exemplo, através da medição da aceleração centrípeta de um planeta orbitando o Sol a uma distância conhecida, é possível encontrar a massa que o Sol deve ter para produzir essa aceleração.

De um modo semelhante, os astrônomos podem calcular a massa de uma galáxia  medindo a aceleração das nuvens que orbitam as extremidades dessa galáxia. Esta evidência surgiu nos trabalhos pioneiros de Vera Rubin e seus colegas nos anos 70, ao medirem curvas de rotação de galáxias espirais. E para surpresa de Vera, a massa necessária de muitas galáxias espirais é muito maior do que a massa de todas as estrelas observadas, chegando a ser cerca de 5 vezes maior e isso pode ser proveniente da matéria escura. Muitos estudos subseqüentes confirmaram esta descoberta. (CHANDRA – NASA)

Lentes gravitacionais

As lentes gravitacionais são ferramentas poderosas  para  ”pesar” a matéria escura. Elas exigem imagens de alta qualidade para serem observadas, e por isto só recentemente têm sido utilizadas, graças ao  avanço da tecnologia que melhorou os telescópios espaciais.

Quando a luz de uma fonte distante passa próximo a uma concentração de matéria, sua trajetória se curva fazendo a fonte parecer estar numa outra direção, produzindo também uma distorção na forma da galáxia distante. Este efeito pode ser usado para detectar e “pesar” a matéria escura. Existem lentes “fortes” que produzem efeitos espetaculares, como a famosa “cruz de Einstein”. (Thaisa IF UFRGS)

Matéria escura interage gravitacionalmente?

“Sim, sendo essa sua principal característica. Tal interação gravitacional ajudaria no equilíbrio dos gases quentes contidos nas galáxias, uma vez que a massa dessa galáxia seria insuficiente para, sozinha, manter os gases coesos.”

Só sabemos da existência da matéria escura através da força gravitacional que ela exerce nos objetos cuja radiação eletromagnética podemos observar. Podemos verificar isso observado os gases quentes em galáxias elípticas. Chandra e outros telescópios de raio-x podem ser utilizados para medir a pressão desses gases quentes, e as observações com telescópios ópticos podem ser utilizados para determinar a massa das estrelas.

As grandes galáxias elípticas têm extensas camadas de gases quentes que parecem estar em equilíbrio. A pressão desses gases quentes está equilibrada com a força gravitacional de toda a massa de uma galáxia.

Com a coleta dos dados é possível verificar que não há massa suficiente nas estrelas e de gases para fornecer a gravidade necessária para manter os gases quentes coesos. Sendo assim, as galáxias elípticas devem conter cerca de cinco vezes mais massa em matéria escura para que haja equilíbrio proveniente da gravidade.

Partícula e antipartícula são iguais?

“Uma das esquisitices é que possivelmente as partículas de matéria escura poderiam ser suas próprias antipartículas. Se colocasse um número suficiente delas em um lugar só, elas começariam a se aniquilar produzindo raios gama no processo.”

Uma de muitas curiosidades sobre a matéria escura é que suas partículas podem ser suas próprias antipartículas: se colocar um número suficiente delas em um lugar só, elas devem começar a se aniquilar produzindo raios gama no processo.

Em particular, o centro da Via Láctea deveria estar produzindo excesso de radiação gama, porque a matéria escura é esperada para se concentrar lá, diz Dan Hooper, um astrônomo do Fermilab, localizado Illinois. Hooper, alega ter encontrado evidências para esses excessos de raios gama em dados do da Telescópio Espacial Gamma-ray NASA/Fermilab.

Os resultados são consistentes com a partícula de matéria escura de 7,3-9,3 GeV, um intervalo que se encaixa bem com os resultados de ambos Cogent e DAMA. Outros pesquisadores continuam céticos. “O centro galáctico é tão complicado que antes de você acreditar que você tem a aniquilação da matéria escura, você tem que descartar todas as opções”, diz Doug Finkbeiner, astrônomo do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, em Cambridge.

Finkbeiner aponta que o sinal pode vir de pulsares detectados – de rotação rápida, estrelas de nêutrons que produzem grandes quantidades de alta energia de radiação. Ainda assim, os resultados de Hooper alimentaram a imaginação dos pesquisadores.

  

Referências nivel básico:
http://www.youtube.com/watch?v=xqIhzWRLnS0&feature=player_embedded#!
Referências nivel intermediário:
http://arsphysica.wordpress.com/2010/04/25/limite-s-formato-halos/
http://arsphysica.wordpress.com/2010/03/11/eg-demonstrado/
http://arsphysica.wordpress.com/2010/01/13/fermi-lat-poe-nova-restricao-a-decaimento-de-materia-escura/
http://arsphysica.wordpress.com/2009/12/18/materia-escura-teorias-de-cordas-topologicas-e-interacoes-eletrofracas/
http://arsphysica.wordpress.com/2009/03/12/velhas-e-novas-evidencias-da-materia-escura-e-um-pouco-do-lado-negro-da-forca/
http://www.if.ufrgs.br/~thaisa/matesc/matesc.htm
http://arsphysica.wordpress.com/2009/05/05/fermi-lat/
http://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy/
http://chandra.harvard.edu/xray_astro/dark_matter/
http://astro.berkeley.edu/~mwhite/darkmatter/essay.html
Referências nivel avançado:
http://web.mit.edu/~redingtn/www/netadv/specr/012/012.html
http://www.nature.com/news/survey-finds-no-hint-of-dark-matter-near-solar-system-1.10494
http://arxiv.org/pdf/hep-ph/0404175v2.pdf
http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0301505v2.pdf
http://www.cosmotography.com/images/galaxy_formation_and_evolution.html
http://www.astro.umd.edu/~ssm/darkmatter/WIMPexperiments.html
http://arxiv.org/abs/0711.3788
http://arxiv.org/abs/1201.5902