ENIGMA DO UNIVERSO: MATERIA ESCURA

          

Um enigma no Universo: onde está, e o que é, a matéria escura?

 

Como veremos mais tarde, a teoria relativística da gravitação proposta por Hilbert e Einstein baseiase em equações que levam em conta não somente a geometria do Universo mas também o seu conteúdo material. No entanto, para a cosmologia, os objetos celestes que constituem o Universo não são estudados individualmente mas sim como um conjunto único de matéria. Ao estudioso de cosmologia não interessa uma galáxia, ou um aglomerado de galáxias particular mas sim o conjunto de todos os aglomerados de galáxias que existem no Universo.

 

A cosmologia moderna também precisa dizer algo sobre como essa matéria surgiu e por que ela se distribui da forma como a vemos. Até algum tempo atrás, o estudo da cosmologia permanecia bastante afastado da astrofísica. Pelo desafio exposto em suas equações, a cosmologia se preocupava bem mais com a geometria do universo e descrevia o seu conteúdo de matéria por meio de uma equação em que os aglomerados de galáxias eram considerados partículas de um fluido. Desse modo a parte das equações relativísticas que descreviam o conteúdo do universo envolvia apenas a pressão e a densidade desse fluido.

 

Com o desenvolvimento da astrofísica observacional ficamos conhecendo muitíssimo mais o conteúdo de matéria existente no Universo. Ao mesmo tempo em que isso aconteceu, revelando-nos  uma estrutura rica e nunca imaginada que envolve superaglomerados de galáxias, filamentos e vazios, surpresas também apareceram.

 

Evidências observacionais mostravam que não era possível explicar o conteúdo de matéria do Universo pensando-se somente na matéria visível ou seja, nas estrelas, galáxias e suas aglomerações. As curvas de rotação das galáxias. Em 1933 o astrônomo suíço Fritz Zwick calculou a massa total do aglomerado de galáxias baseado no movimento das galáxias que se situavam próximas à sua borda. Ao comparar essa estimativa de massa com aquela cujo cálculo se baseava no número de galáxias e no brilho total do aglomerado, Zwicky verificou que havia encontrado 400 vezes mais massa do que o esperado! A gravidade produzida pelas galáxias visíveis do aglomerado seria, de longe, pequena demais para permitir que algumas delas se deslocassem de modo tão rápido em suas órbitas. Era necessário que mais matéria existisse no aglomerado. Isso ficou sendo conhecido como o “problema da falta de massa“. Baseado nesses fatos Zwicky inferiu que deveria existir no aglomerado alguma forma de matéria não visível que, junto com a matéria visível, forneceria massa e gravidade suficiente para mantê-lo unido gravitacionalmente.

Mais tarde verificou-se que essa matéria não visível permeia não só o aglomerado de galáxias mas todos os aglomerados de galáxias. Ela ficou sendo conhecida como “MATÉRIA ESCURA“. Esse nome é bem mais adequado do que o de “massa faltante” uma vez que não há falta de massa nas galáxias e em seus aglomerados. A matéria está presente mas, por motivo ainda não determinado, ela não é visível. Como a visibilidade da matéria se dá a partir de suas interações eletromagnéticas (luz) podemos concluir que essa matéria escura, seja lá o que ela for, não emite radiação na região espectral visível do espectro eletromagnético. Ou seja, ela não sofre interações eletromagnéticas.

 

A maior parte da evidência de que existe uma “matéria escura” vem do estudo dos movimentos das galáxias em aglomerados. A necessidade da existência de alguma forma de matéria que não é visível (matéria escura) também é encontrada ao se estudar o movimento das estrelas presentes em uma galáxia. Se você supõe que a massa gravitacional de uma galáxia é devida somente à matéria visível nela, irá observar algo bastante intrigante: existem estrelas bem afastadas do centro da galáxia que apresentam velocidades muito mais altas do que as permitidas pela massa total da matéria visível nelas, e isso precisa ser explicado. Em 1975 a astrônoma norteamericana Vera Rubin mostrou que a maioria das estrelas nas galáxias espirais tinha praticamente a mesma velocidade orbital. Isso implicava que as densidades de massa dessas galáxias eram uniformes até regiões situadas muito além das localizações da maioria de suas estrelas (que estão no bojo das galáxias, sua região mais central). Após muita discussão os cientistas interpretaram esse fato como significando que ou a gravitação Newtoniana não se aplicava universalmente ou então, no mínimo, mais de 50% das massas das galáxias estava contida em um halo galáctico de matéria escura.

Esse fato era observado de modo muito claro quando os astrônomos obtinham a chamada “curva de rotação galáctica“, que nos mostra a velocidade de rotação da galáxia versus a distância ao seu centro. A imagem abaixo mostra o que seria uma curva de rotação de uma galáxia espiral típica, a teórica e a observada. Enquanto a curva teórica atinge um máximo e decresce, a curva observada atinge o máximo e mantém um valor praticamente constante. Essa diferença só pode ser explicada se houver mais matéria na galáxia do que somos capazes de observar visualmente.

A melhor maneira de explicar essas discrepâncias, seja em uma galáxia ou em um aglomerado de galáxias, é supor que o material visível é apenas uma pequena parte dela(e). Não é possível explicar o formato dessa curva baseandonos exclusivamente na matéria visível que a galáxia apresenta.

 

As medições de curvas de velocidade nas galáxias espirais foram logo seguidas pelas medidas de velocidade de dispersão das galáxias elípticas. Verificou-se que até mesmo as galáxias elípticas apresentam um conteúdo de matéria escura relativamente alto. Medições do gás interestelar difuso encontrado na borda das galáxias indicam que as distribuições de matéria escura se estendem muito além do limite visível das galáxias.

 

Isso fez com que a matéria escura passasse a ser considerada como 95% (e não 50% como havia sido determinado por Vera Rubin) da massa total de matéria encontrada em uma galáxia ou aglomerado de galáxias.

 

Matéria escura é uma forma (até o momento teórica) de matéria que não emite nem reflete radiação eletromagnética não podendo, por esse motivo, ser observada diretamente. Sua presença é inferida a partir dos efeitos gravitacionais que ela causa sobre a matéria visível.

 

Algumas curiosidades astrofísicas sobre a distribuição de matéria escura

 

· os aglomerados globulares não mostram evidências de que contém matéria escura.

 

· a nossa Galáxia parece ter cerca de 10 vezes mais matéria escura do que matéria visível.

 

· em agosto de 2006 foi publicado que, pela primeira vez, astrônomos haviam conseguido observar matéria escura separada da matéria ordinária. Isso foi conseguido estudando o Bullet Cluster, na verdade dois aglomerados de galáxias vizinhos que colidiram há cerca de 150 milhões de anos. Durante a colisão os gases quentes interagiram e permaneceram próximos ao centro do aglomerado.

         

 

As galáxias individuais e a matéria escura não interagiram e ficaram distribuídas longe do centro. A imagem abaixo mostra a distribuição de matéria ordinária (determinada a partir das emissões de raios X dos gases quentes que formam o aglomerado) na cor vermelha e a massa total do aglomerado em azul.

 

· em 2005 astrônomos da Cardiff University descobriram uma galáxia feita quase inteiramente de matéria escura. Ela está a 50 milhões de anosluz de nós, no Aglomerado Virgo, e foi chamada de VIRGOHI21. De modo bastante estranho essa galáxia não parece conter quaisquer estrelas visíveis (ela foi descoberta a partir de observações em radio freqüência do hidrogênio), contém aproximadamente 1000 vezes mais matéria escura do que hidrogênio e sua massa é cerca de 1/10 daquela apresentada pela nossa Galáxia.

 

· existe um pequeno número de galáxias cujas velocidades orbitais medidas de suas nuvens de gás mostram que elas quase não contêm matéria escura. Uma dessas é a galáxia NGC 3379.

 

· o aglomerado de galáxia Abell 2029, formado por milhares de galáxias envolvidas por uma nuvem de gás quente, possui uma quantidade de matéria escura equivalente a mais de 1014 massas solares.

A matéria do Universo

 Vimos que a análise de dados observacionais mostra que existe muito mais matéria no Universo sob a forma de matéria escura do que como componente “visível” ou seja, planetas, estrelas, galáxias e todos os outros corpos celestes. No momento a densidade de bárions ordinários e radiação no Universo são estimadas ser equivalente a cerca de um átomo de hidrogênio por metro cúbico de espaço. A partir dos efeitos gravitacionais sabemos que somente cerca de 4% da densidade de energia total no Universo pode ser vista diretamente. Imagina-se que cerca de 22% dessa densidade seja composta de matéria escura. Sobram então 74% que acreditamos consistir de “ENERGIA ESCURA” uma componente ainda mais estranha do Universo que se distribui de modo difuso pelo espaço (veremos o que é a “energia escura” bem mais tarde no nosso curso).

 

Essas porcentagens variam muito na literatura. Por exemplo, se considerarmos uma distribuição mais detalhada do conteúdo de matéria do Universo obteremos o diagrama mostrado na figura abaixo.

 

O importante aqui é verificar não o percentual exato de cada componente do Universo mas sim a proporção entre eles.

 

Determinar a natureza da matéria escura é um dos mais importantes problemas da cosmologia moderna e da física de partículas. Lembre-se que os nomes “matéria escura” e “energia escura” servem principalmente para resumir a nossa ignorância sobre o conteúdo do universo. 

 

A composição da matéria escura

 

Que tipo de matéria seria o componente principal da matéria escura? Sabemos que uma pequena porção da matéria escura é formada por matéria bariônica difícil de detectar mas, falando de uma maneira mais ampla, a ciência desconhece o que é a matéria escura. Muitas propostas surgiram, incluindo neutrinos ordinários e pesados, novos tipos de partículas elementares tais como WIMPS e AXIONS, uma grande quantidade de pequenos corpos astronômicos bariônicos tais como anãs marrons e planetas (que são coletivamente chamados de MACHOs), buracos negros primordiais e até mesmo nuvens de gás não luminoso. Algumas soluções ainda mais radicais foram propostas para esse problema. Por exemplo, os defensores de algumas teorias de cosmologia de “branes” (veremos mais tarde do que se trata) propuseram que a matéria existente em outro universo poderia afetar o nosso universo por meio da interação gravitacional.

 

As evidências obtidas pela astronomia favorecem atualmente modelos cosmológicos no qual a principal componente da matéria escura são novas partículas elementares conhecidas coletivamente como “matéria escura não bariônica“. Isso quer dizer que a matéria escura não seria formada por bárions (prótons, nêutrons, etc) mas sim por um outro tipo de matéria que ainda não foi detectado em laboratório.

         

 

A matéria escura ” fria”

 

A situação é mais complicada, entretanto, porque os físicos de partículas, na sua procura para encontrar uma teoria unificada para a física, sugeriram que pode haver uma ou mais variedades de partículas presentes no Universo que nunca foram detectadas em laboratório.

 

É curioso notar que a sugestão de que poderia haver mais material no Universo do que jamais vimos foi feita independentemente da descoberta dos astrônomos de que há mais coisas no Universo do que podemos ver. Deste modo cientistas operando tanto nas maiores como nas menores escalas (Universo ou átomo) prevêem a necessidade de existirem “novas” formas de matéria.

 

Variações diferentes sobre o tema física de partículas sugerem candidatos diferentes para a(s) partícula(s) extra(s). Algumas teriam massas comparáveis à do próton, mas seriam muito relutantes de interagir com a matéria usual que encontramos no universo (exceto por meio da gravidade) e, por esse motivo, ainda não foram detectadas. Essas partículas hipotéticas são coletivamente chamadas de WIMPs, as iniciais do termo inglês “Weakly Interacting Massive Particles” (Partículas Massivas que Interagem Fracamente). Experiências feitas com o acelerador de partículas Large Hadron Collider, situado próximo a Genebra, Suíça, sugerem que os WIMPs são pelo menos 100 vezes mais massivos que o próton. Os modelos cosmológicos prevêem que se os WIMPs são as partículas formadoras da matéria escura, trilhões deles devem passar através da Terra a cada segundo. A despeito de numerosas tentativas de detectar esses WIMPs nenhum até hoje foi encontrado.

 

Parte da matéria escura fria necessária para explicar a dinâmica das galáxias espirais pode estar na forma de “Massive Astronomical Compact Halo Objects” (MACHOs). Esses poderiam ser anãs marrons, objetos formados a partir do colapso gravitacional de parte de uma nuvem molecular gigante que contraiu mas não alcançou massa suficiente para dar início a reações nucleares e se transformar em uma estrela. As anãs marrons ocupam o intervalo de massa que existe entre os grandes planetas gigantes gasosos e as estrelas de menor massa do diagrama HR. Consideramos que um objeto é uma anã marrom se sua massa é superior a 13 massas de Júpiter e menor do que 7580 massas de Júpiter.

 

Outra possibilidade de MACHOs seriam buracos negros, cada um com uma massa de até um milhão de vezes a do Sol.

         

 

Mas embora os MACHOs possam justificar os halos invisíveis necessários para explicar como galáxias como a nossa rodam, eles mesmos são feitos de bárions que foram produzidos no Big Bang e, desse modo, não podem fornecer a enorme quantidade de matéria escura necessária para explicar a estrutura global do Universo. Embora os MACHOs sejam escuros, no contexto da discussão cosmológica eles são apenas parte do 1% do Universo feito de matéria atômica ordinária.

 

Várias propostas têm sido feitas de objetos ou grupos de objetos que poderiam formar a matéria escura fria. Uma dessas propostas é a existência de RAMBOs (Robust Associations of Massive Barionic Objects).

 

A existência de RAMBOs foi apresentada em 1995 pelos astrofísicos B. Moore e J. Silk. Eles seriam aglomerados escuros compostos ou por anãs marrons ou por estrelas anãs brancas. Segundo os autores da proposta, os RAMBOs teriam raios efetivos entre 1 e 15 parsecs (1 parsec = 3,26 anosluz) e suas massas estariam no intervalo de 10 a 100000 massas solares.

 

Com esse intervalo tão restrito de massa (todos os objetos seriam anãs marrons ou estrelas anãs brancas) a taxa de evaporação desses RAMBOs deveria ser muito lenta. Teoricamente esses objetos, que existiriam por um tempo muito longo, poderiam ser encontrados em grande número no Universo.

Até hoje RAMBOs não foram detectados.

 

O nome genérico de todos esses objetos é “matéria escura fria“, tradução do inglês “cold dark matter” (CDM). O nome “fria” se refere ao fato de que esses objetos teriam massas relativamente grandes e, por conseguinte, velocidades muito menores que a da luz.

 

A matéria escura ” quente”

 

Uma outra possibilidade de composição da matéria escura seria a chamada “matéria escura quente“. Ela consistiria de partículas que se deslocam no espaço com velocidades ultrarelativísticas.

 

Logo os cientistas perceberam que um dos candidatos a “matéria escura quente” seria o neutrino. Ao contrário dos WIMPs, os neutrinos têm massa muito pequena (entre 7 e 8 eV) e emergem do Big Bang com velocidades muito altas, próximas à velocidade da luz. Além disso, os neutrinos não participam de duas das quatro interações fundamentais conhecidas que ocorrem no Universo. Eles não sentem a interação eletromagnética (interação produzida pela presença de um campo eletromagnético) e também não sentem a interação forte (aquela que mantém unido o núcleo dos átomos). O neutrino só realiza as interações fraca e gravitacional. Como esses tipos de interações são caracteristicamente muito fracas os neutrinos se tornam difíceis de serem detectados.

 

A quaisquer partículas que satisfazem às condições explicitadas acima damos o nome coletivo de “matéria escura quente“, tradução do inglês “hot dark matter” (HDM).

 

Como se formaram as galáxias: matéria escura ” quente” versus matéria escura ” fria”

Nas últimas décadas um dos maiores desafios para os astrônomos tem sido determinar se a distribuição de galáxias no céu lembra mais fortemente uma distribuição associada com a CDM ou com a HDM.

 

A diferença chave é a influência dos dois tipos de matéria escura no universo primordial, logo depois do Big Bang, quando as estrelas e as galáxias começaram a se formar.

 

Tanto os cálculos teóricos como as simulações em computadores ajudam a indicar que tipo de agrupamento seria visto em um universo dominado por matéria escura quente, e que tipo de aglomerações esperaríamos em um Universo dominado por matéria escura fria.

Imagem WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) da anisotropia da radiação cósmica de fundo. (Março de 2006)

 

O que aconteceria se o Universo fosse dominado por “matéria escura quente”? Hoje acreditamos que a matéria escura quente não pode explicar como as galáxias individuais se formaram a partir do Big Bang. Os satélites COBE e WMAP mediram a radiação de fundo de microondas e nos mostraram que sua distribuição é impressionantemente suave. Apesar dessa suavidade, os dados obtidos por esses satélites também nos mostraram que a matéria existente no Universo se aglomerou inicialmente em escalas bem pequenas. Entretanto, partículas que se movem rapidamente (como os neutrinos) não conseguem se aglomerar nessa escala pequena a partir de uma aglomeração inicial tão suave. As partículas da matéria escura quente varreriam tudo diante delas, suprimindo a aglomeração de outras formas de matéria e mantendo o Universo suave e homogêneo até diminuírem suas velocidades e começarem a permitir o crescimento das irregularidades então existentes. Como a distribuição de matéria sobre escalas menores já teria sido suavizada por elas, as primeiras estruturas a se formarem seriam na escala de superaglomerados de galáxias, com a forma semelhante a enormes folhas e filamentos, os quais se romperiam para formar galáxias e estrelas um cenário “de cima para baixo“.

         

 

Um universo dominado por neutrinos “quentes” (matéria escura quente) é previsto ter uma estrutura um tanto simples, como as células de uma colméia (embora não tão regular), na qual as galáxias brilhantes se formam somente em folhas bem definidas e de modo algum nos vazios.

 

E se a matéria dominante fosse “matéria escura fria”? Em um universo dominado por matéria escura fria, entretanto, a estrutura começaria a se formar em escalas menores, muito cedo, logo após o Big Bang. Grupamentos de matéria escura atraem a matéria bariônica e as estruturas se formam “de baixo para cima“, com as estrelas e galáxias se aglomerando para formar superaglomerados e filamentos.

 

O universo CDM é mais desordenado e complicado, com uma estrutura mais rica que parece mais com o Universo real. Folhas e filamentos também se formam, mas eles se entrelaçam de um modo complicado, e os “vazios” não estão completamente vazios.

 

Para explicar a estrutura em pequena escala do Universo é necessário invocar a “matéria escura fria“. A “matéria escura quente” hoje é quase sempre discutida como parte das teorias que postulam a existência de uma “matéria escura mista“.

Fontepesquisada:(http://www.on.br/site_edu_dist_2008/site/conteudo/modulo3/10-materia-escura/materia-escura.html)

POSTED BY SELETINOF AT 1:34 PM

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Sobre seletynof

Escola (ensino médio):Colégio Marista Cearense;Faculdade/Universidade: Universidade Federal do Ceará;Curso:Física; Diploma:Pós-Graduação em Física;Profissão:físico e professor; Setor:Científico.

Publicado em 10 de novembro de 2008, em FISICAMATEMATICA. Adicione o link aos favoritos. Deixe um comentário.

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