A maioria do universo é composta de “coisas” que são invisíveis, possivelmente intangíveis e interagem com outras coisas apenas através da força da gravidade. Oh, sim, e os físicos não sabem como é esse material ou por que ele compõe a maioria da massa do universo – cerca de quatro quintos de sua composição.
Eles chamam isso de matéria escura.
Então, onde está essa coisa misteriosa que compõe um pedaço tão grande de nosso Universo, e quando os cientistas vão encontrá-la?
Primeiro de tudo: como sabemos que ela está lá fora?
A matéria escura foi hipotetizada pela primeira vez em 1930, quando o astrônomo suíço Fritz Zwicky percebeu que suas medições das massas dos aglomerados de galáxias mostraram que boa parte da massa no Universo estava “perdida”. O que quer que estivesse deixando as galáxias mais pesadas, não emitia qualquer luz, nem interagia com qualquer outra coisa a não ser através de gravidade.
Vera Rubin, na década de 1970, descobriu que a rotação de galáxias não estava seguindo as previsões de Leis de Newton; as estrelas na galáxia de Andrômeda pareciam estar orbitando o centro com a mesma velocidade, em de se moverem mais lentamente, uma vez que estariam mais distantes, contrariando o que dizia as teorias da gravidade. Claramente, alguma coisa estava adicionando massa às partes externas das galáxias, algo que ninguém podia ver.
Outras evidências vieram das lentes gravitacionais, que ocorrem quando a gravidade de um objeto grande dobra as ondas de luz em torno desse objeto. Pela Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein, a gravidade curva o espaço (como um lutador de sumô deformando um tapete), raios tão leves curvam em torno de objetos massivos, embora a própria luz não possua massa. Observações indicaram que não havia massa visível o suficiente para dobrar a luz a medida que ela se curva em torno de certos aglomerados de galáxias – em outras palavras, as galáxias eram mais maciça do que deveriam ser.
Existem ainda a Radiação Cósmica de Fundo de microondas (CMB), o “eco” do Big Bang, e supernovas. “O que a CMB diz é que o universo é espacialmente plano”, disse Jason Kumar, professor de física na Universidade do Havaí. “Espacialmente plano” significa que se você desenhar duas linhas em todo o universo, elas nunca se encontrariam, mesmo que essas linhas tivessem um bilhão de anos-luz de diâmetro. Em um Universo íngreme curvo, essas linhas se encontrariam em algum ponto no espaço.
Pesquisadores calcularam então qual a quantidade de matéria do universo deve ter para ser plano e produzir a quantidade de matéria normal (também chamada de bárions) observada no universo.
“Eu me pergunto se a quantidade de matéria que eu tenho é igual à matéria bariônica, e não é”, disse Kumar.
Há agora uma pequena disputa entre os cosmólogos e astrônomos sobre a existência da matéria escura. No entanto, ela parece não ser afetada pela luz, e não é cobrado carregada como os elétrons ou prótons são. Até agora, ela tem escapado da detecção direta.
“Esse é o tipo de mistério”, disse Kumar. Há algumas maneiras dos cientistas tentarem “ver” a matéria escura – quer através da sua interação com a matéria normal ou à procura de partículas que podem se tornar matéria escura.
O que não pode ser matéria escura?
Uma série de hipóteses vem e vão a respeito do que é a matéria escura. Uma das primeiras foi bastante lógica: a matéria estava escondida dentro os enormes objetos astrofísicos compactos com os halo ou MACHOs, tais como estrelas de nêutrons, buracos negros, anãs castanhas e planetas nômades ou interestelares. Eles não emitem luz (ou eles emitem muito pouca), então eles são efetivamente invisíveis aos telescópios.
No entanto, levantamentos de galáxias à procura de pequenas distorções na luz de estrelas de fundo produzidas por uma passagem de MACHOs – chamados eventos de microlentes – não poderiam explicar a quantidade de matéria escura em torno das galáxias, ou mesmo uma parte significativa da mesma. “MACHOs parecem tão excluídos como nunca”, disse Dan Hooper, um cientista associado do Laboratório do Acelerador Nacional Fermi, em Illinois.
A matéria escura também não parece ser nuvens de gás que telescópios não possam ver. O gás difuso que absorve a luz das galáxias mais distantes, e acima disso, o gás ordinário reemite radiação em comprimentos de onda mais longos – o que deixaria uma radiação maciça de luz infravermelha no céu. Uma vez que essa luz não é vista, podemos descartar essa possibilidade, disse Kumar.
O que pode ser?
Partículas massivas que interagem fracamente, ou WIMPs, são alguns dos mais fortes concorrentes para explicar a matéria escura. WIMPs são partículas pesadas – cerca de 10 a 100 vezes mais pesadas do que um próton – que foram produzidos durante o Big Bang, embora apenas pequenas quantidades são deixados hoje. Estas partículas interagem com a matéria normal por gravidade ou a força nuclear fraca. WIMPs mais maciços iriam mover-se mais lentamente através do espaço, e, portanto, serem “frios” candidatos de matéria escura, enquanto que os mais leves iriam se mover mais rápido, e serem matéria escura “quente”.
Uma maneira de encontrá-los é em experimentos “de detecção direta”, como o Large Underground Xenon (LUX), que é um recipiente de xenon líquido em uma mina em Dakota do Sul. Se um núcleo de xenon parece “saltar” sem nenhuma explicação, ele seria um candidato que foi atingido com uma partícula de matéria escura. A magnitude do salto daria uma ideia da massa da nova partícula. Mas Hooper disse que o LUX ainda não viu nada.
Outra maneira de ver as WIMPs pode estar nos aceleradores de partículas. Aceleradores colidem núcleos atômicos próximo da velocidade da luz, e, nesse processo de colisão ultra energética, algumas novas partículas são produzidas. Até agora, porém, os aceleradores de partículas não detectaram qualquer coisa que se pareça com um candidato à matéria escura, também.
Os resultados de ambas detecção direta de partículas e aceleradores, no entanto, tem colocado um limite no tamanho e na massa desta hipotética partícula de matéria escura, disse Kumar. A sensibilidade do LUX é até 200 MeV, ou cerca de um quinto da massa de um próton, e poderia teoricamente ver partículas tão pesadas quanto 1 TeV, que é comparável a alguns tipos de quarks. Uma vez que o LUX não conseguiu ver nada até agora, poderíamos muito bem dizer que a matéria escura não está nesse intervalo.
Kumar disse que é possível que os WIMPs são realmente pesados, e como eles são tão maciços, simplesmente não há muitos deles, ou seja, a chance que eles baterem em um átomo de xenon é pequena.
Outra possibilidade: áxions. Estas partículas subatômicas podem ser detectadas indiretamente pelos tipos de radiação que emitem à medida que elas se aniquilam ou como eles se decompõem em outros tipos de partículas, ou aparecem em aceleradores de partículas. No entanto, não houve qualquer evidência direta de áxions.
Desde a detecção, partículas pesadas “frios”, como WIMPs ou axions, não produziram resultados, no entanto, alguns cientistas estão olhando para a possibilidade de partículas mais leves e mais rápidas em movimento, que eles chamam de matéria escura “quente”. Tem havido um interesse renovado em tal modelo de matéria escura depois que cientistas encontraram evidências de uma partícula desconhecida, usando o Observatório de Raios-X Chandra, no aglomerado de Perseus, um grupo de galáxias com cerca de 250 milhões de anos-luz da Terra. Os íons conhecidos desse aglomerado produziu certas linhas de emissão de raios-X, e, em 2014, os cientistas viram uma nova “linha” que pode corresponder a uma partícula leve desconhecida, disse Nicola Menci, astrofísico do Instituto Nacional da Itália de Astrofísica (INAF).
Se as partículas de matéria escura forem leves, os cientistas vão ter muito trabalho para detectá-las diretamente, disse Tracy Slatyer, físico do MIT. Slatyer propôs novos tipos de partículas que podem tornar-se matéria escura.
“A matéria escura com [a] massa inferior a cerca de 1 GeV é realmente difícil de detectar, com experimentos de detecção diretos convencionais, porque eles trabalham observando os recuos inexplicáveis de núcleos atômicos… mas quando a matéria escura é muito mais leve do que o núcleo atômico, a energia de recuo é muito pequena”, disse Slatyer. Prótons – um núcleo de hidrogênio – não podem ser mais leves do que cerca de 938 MeV, então uma partícula que pesa na faixa keV seria 1.000 vezes mais leve. “Pense em uma bola de pingue-pongue quicando fora de uma bola de boliche; a bola de boliche não se moverá muito”, disse ela.
Slatyer disse que há muita pesquisa a ser feita sobre a forma de encontrar partículas de matéria escura. O uso de “superfluidos” de hélio líquidos, semicondutores e até mesmo quebra de ligações químicas em cristais, estão entre as idéias que estão sendo pensadas.
Kumar disse que uma razão para que a matéria escura seja tão misteriosa é que os físicos acham que entendem, até certo ponto, como a nucleossíntese do Big Bang – as origens da matéria – trabalhou. O Modelo Padrão, que previu o bóson de Higgs, tem sido muito bem sucedido até agora, a menos que todos eles estiverem realmente errados sobre algo fundamental que é estranho que ninguém conseguiu detectar uma partícula de matéria escura ainda.
Se, por exemplo, partículas de matéria escura são muito diferentes do que muitos modelos atuais preveem, é possível que os aceleradores de partículas não tenham visto. Aceleradores, como o Large Hadron Collider são melhores em ver as coisas que interagem com a força nuclear forte, que decai em outras partículas.
“Se essa é a forma como a sua matéria escura funciona, esta é uma grande máquina para encontrá-la”, disse ele. “Mas se não houver uma partícula mais pesada como essa, as coisas serão mais difíceis.”
Traduzido e adaptado de LiveScience