O que é matéria escura e como sabemos que existe?

A matéria escura é uma forma invisível de matéria que tem massa. Ele não emite ou absorve calor, luz ou quaisquer outras ondas eletromagnéticas.Além disso, ele interage “fracamente” com a matéria comum, tornando-o ainda mais furtivo.

De todos os ramos da ciência, um dos mais populares é a astronomia, e por boas razões. Quem na Terra já se perguntou sobre estrelas cintilantes, a lua brilhante e os meteoros ocasionais que iluminam nosso céu noturno! Desde a invenção dotelescópio, nossa curiosidade sobre o mundo além do nosso planeta só aumentou.Com telescópios espaciais avançados como o Hubble, podemos agora perscrutar as profundezas do cosmos e detectar até mesmo as galáxias antigas que se formaram logo após oBig Bang. Na verdade, foi olhando para uma dessas galáxias prístinas que um dos maiores mistérios do Universo foi concebido pela primeira vez – a matéria escura!

Origens da matéria escura

No início dos anos 1600, Johannes Kepler descobriu que quanto mais longe um planeta estava do Sol, mais devagar ele girava em torno do Sol. Algumas décadas depois, Newton apareceu e estabeleceu as leis fundamentais da gravidade, o que nos permitiu medir essa força incrivelmente importante.

Usando a lei da gravitação de Newton, calculamos a gravidade do Sol, que por sua vez nos deu detalhes sobre a massa do Sol. Com o avanço dos telescópios e outras tecnologias astronômicas, os cientistas começaram a aplicar a lei da gravitação de Newton em galáxias em rotação para estudá-las também.

Linda galáxia (Crédito da foto: Souricette-du-13 / Wikimedia Commons)

Descoberta de Fritz

Na década de 1930, um astrônomo suíço chamado Fritz Zwicky, enquanto estudava as galáxias do aglomeradoComa, notou que algumas galáxias se moviam a uma velocidade muito alta. Na verdade, eles eram tão rápidos que Zwicky sentiu que não poderiam mais permanecer gravitacionalmente presos e, inevitavelmente, seriam arrancados.

Ele supôs que cerca de 100 vezes mais matéria seria necessária para justificar o ritmo exorbitante dessas galáxias em recuo. Ele estava desconfiado desse assunto misterioso, mas tinha certeza de que não eravisívelcomo um assunto comum. Assim, ele o chamou dematéria escura. Sem surpresa, a comunidade científica da época não se convenceu daideiade Fritz .

Confirmação de Rubin

Demorou mais 40 anos para que sua ideia fosse levada a sério. Na década de 1970, outra astrônoma chamada Vera Rubin estava estudando galáxias espirais. Assim como Zwicky, ela também esperava ver que mais longe do centro da galáxia, as nuvens de gás deveriam se mover mais devagar, de acordo com as leis da gravidade estabelecidas por Newton.

O que ela observou, no entanto, foi o oposto. Ela viu que, para muitas galáxias no aglomerado, quanto mais longe do centro estavam, mais rápido se moviam. Para outros, afastar-se do centro não afetou sua velocidade, ou seja, não houve desaceleração em sua taxa. Essa observação implicava que, em vez de estar concentrada no centro, a massa da galáxia teria sido distribuída por todo o disco para justificar tais velocidades. Apesar dos números, não havia matéria VISÍVEL suficiente para explicar essa velocidade.

A única explicação que poderia justificar essa anomalia era alguma matéria “invisível” que tinha “massa”. Esta misteriosa matéria foi proposta para ser invisível, uma vez que não eradetectávelcomo estrelas, gás, poeira e outros corpos celestes conhecidos. Além disso, essa matéria teve que ser distribuída por todo o disco para que a rotação fosse correta. Rubin calculou que essa matéria escura invisível era aproximadamente 5 a 6 vezes mais massiva do que toda a massa restante da matéria comum.

Matéria escura: o mistério continua

Após a observação de Rubin, muitos outros estudos foram realizados para descobrir os segredos da matéria escura.

Ironicamente, a coisa mais notável sobre a matéria escura é que quase não sabemos nada sobre ela! A partir de nossos estudos, confirmamos que a matéria escura tem massa, mas, ao contrário da matéria comum, ela não emite ou absorve calor, luz ou quaisquer outras ondas eletromagnéticas.

O material com o qual estamos familiarizados no cosmos é fundamentalmente feito de matéria bariônica, isto é, composto de prótons, nêutrons e elétrons. No entanto, a maioria dos cientistas reconhece que é improvável que a matéria escura seja bariônica, já que não exibe propriedades da matéria comum. Muito provavelmente, a matéria escura énão bariônica.

Contendores para matéria escura

Portanto, surge a pergunta … se não é bariônico, então de que é feita a matéria escura? Vários estudos estão trabalhando para responder a essa pergunta, mas até agora, tivemos pouco sucesso. Dito isso, existem algumas hipóteses que tentam especular; o primeiro é uma partícula subatômica hipotética chamada axion.

Axion

Um axion é uma partícula proposta que tem suas raízes na teoria da mecânica quântica. Sua existência não foi verificada diretamente, mas as propriedades dos áxions são bastante semelhantes às que a matéria escura exibe. Axions têm massa e não parecem emitir muita luz. Como resultado, sua estrutura física será desprovida de luminescência e, portanto, “escura”. Estudos estão em andamento para confirmar sua presença, mas os axions continuam indefinidos.

WIMP

Outra partícula proposta que poderia ser o bloco de construção básico da matéria escura é o WIMP. WIMP significa partículas massivas de interação fraca. É também uma ideia hipotética, ou seja, não é verificada empiricamente. Esta partícula proposta não tem carga elétrica. Eles são chamados de “fracos” porque eles interagem fracamente com a matéria comum. Sua interação é tão fraca que muitos cientistas postulam que ela poderia passar por nós sem que soubéssemos ou sentíssemos!

Usando o WIMP, os astrofísicos tentaram explicar alguns mistérios do cosmos, incluindo por que as bordas externas de algumas galáxias giram mais rápido do que o centro. Na verdade, na comunidade científica, a ideia WIMP é preferida a outras ideias concorrentes. Embora o WIMP ajude a resolver alguns mistérios do cosmos, não resolve todos eles.

Por exemplo, quando os cientistas tentaram aplicar o modelo WIMP e fazer simulações computacionais de galáxias como a Via Láctea, a simulação previu a presença de algumas centenas de pequenas galáxias satélites ao redor da periferia da Via Láctea. No entanto, quando os astrônomos tentaram verificar isso empiricamente, eles puderam detectar apenas cerca de vinte deles. Essas anomalias expuseram a fraqueza da teoria WIMP; astrofísicos de todo o mundo estão tentando criar um modelo aprimorado da teoria WIMP que possa eliminar essas discrepâncias.

Agora, vamos dar uma olhada em alguns dos maiores esforços em andamento para descobrir os mistérios da matéria escura.

Em busca de matéria escura

LUXO

Um dos esforços mais famosos relacionados à matéria escura está acontecendo noSanford Underground Research Facilitysob a bandeira de umgrande experimento escuro de xenônio subterrâneoouLUX. Para estudar o WIMP, experimentos de matéria escura estão sendo conduzidos em um laboratório localizado a alguns milhares de metros abaixo da superfície da Terra.

Ele está localizado no subsolo porque um ambiente isolado é necessário para detectar a matéria escura; não pode haver muita influência de ruído externo ou outra radiação que está normalmente presente na atmosfera da Terra. Milhares de metros de rocha são usados ​​como um escudo virtual para proteger o laboratório de pesquisa subterrâneo de interferências externas, tanto quanto possível.

No centro do projeto de matéria escura LUX está um tanque de água isolado de 80.000 galões que contém água altamente purificada para detectar a presença de WIMP.

Dentro deste tanque está outro tanque cheio de Xenon líquido super-resfriado. Agora, a ideia é que se qualquer matéria escura passar por este tanque e atingir o átomo de xenônio neste ambiente isolado, os sensores embutidos no tanque irão detectar / medir a misteriosa matéria escura. Apesar deste enorme esforço, ainda não encontramos oWIMP. Muitos cientistas postulam que, como o WIMP é inerentemente tão enganoso efraco, é quase impossível detectá-los usando sensores feitos de matéria comum.

Xenon, um dos gases nobres mais pesados ​​e um elemento químico muito raro na Terra, é usado como um detector WIMP no LUX (Crédito da foto: Elementos químicos / Wikimedia Commons)

CERN

Já que não podemos capturar / detectar essas partículas misteriosas, que tal criá-las em um laboratório? No CERN na Suíça, um projeto está em andamento para criar matéria escura recriando o Big Bang. No CERN, existe uma vasta rede de tubos / túneis que se cruzam em alguns pontos ao longo de quilômetros e quilômetros de trilhos.

A ideia básica por trás deste projeto é disparar um feixe de prótons de uma direção através de um desses longos tubos e, em seguida, disparar outro feixe de prótons da extremidade oposta. O projeto dessa configuração é tal que há quatro pontos onde esses dois tubos portadores de fótons se cruzam.

Esforços estão em andamento para ver esses feixes colidirem com a velocidade certa de forma que causem uma explosão, onde uma confusão de partículas será espalhada por toda parte. Os pesquisadores esperam que a matéria escura esteja entre eles. Resumindo, uma das maiores máquinas do mundo está sendo utilizada para descobrir uma das menores partículas já teorizadas ao tentar recriar o Big Bang!

(Crédito da foto: Maximilien Brice / Wikimedia Commons)

Uma palavra final

Apesar de nossos esforços para descobrir a matéria escura, tudo o que pode ser considerado sucesso é muito limitado. No entanto, se conseguirmos resolver esse quebra-cabeça da matéria escura, isso transformará fundamentalmente a física como a conhecemos – da mesma forma que as leis do movimento de Isaac Newton ou as teorias da relatividade de Albert Einstein mudaram tudo. Talvez então tivéssemos uma resposta melhor para certas questões fundamentais, incluindo— emque tipo de universo estamos vivendo ?!