A única maneira seria mudar as leis da gravidade, mas a melhor das nossas observações observou essas mudanças.

A diferença entre o esperado e o observado aumentou ao longo dos anos, e estamos cada vez mais tensos para preencher essa lacuna.
- Jeremiah P. Ostriker

Se você está interessado no cosmos, no universo e no que há nele, deveria ter ouvido falar sobre a matéria escura - ou pelo menos sobre o problema da matéria escura. Vamos repassar brevemente o que você pode ver se olhar para o Universo com a ajuda da maior tecnologia de telescópio que a humanidade foi capaz de criar.

Não, não esta imagem. Você pode ver isso com um olho muito bem armado: uma pequena região do espaço contendo algumas estrelas escuras em nossa galáxia e nada mais.

Examinamos não apenas essa região em particular, mas também muitas outras semelhantes, usando ferramentas incrivelmente sensíveis. Mesmo para uma região assim, desprovida de estrelas brilhantes, galáxias ou aglomerados e grupos famosos, precisamos apenas apontar nossas câmeras para ela por algum tempo. E se passar muito tempo, começaremos a coletar fótons de fontes incrivelmente escuras e distantes. Essa pequena área chamada XDF é o resultado da observação no experimento Hubble eXtreme Deep Field, uma região tão pequena que seriam necessários 32.000.000 para cobrir todo o céu noturno dessas regiões e ainda assim eles viram o telescópio lá. Hubble.

Nesta imagem, são encontradas 5500 galáxias únicas, o que significa que no Universo existem pelo menos 200 bilhões de galáxias. Mas, apesar da impressão causada por essa quantidade, essa ainda não é a descoberta mais impressionante que fizemos sobre o Universo ao estudar o grande número e variedade de galáxias, grupos e aglomerados.

Pense no que faz essas galáxias brilharem, estejam localizadas muito perto de nós ou em dezenas de bilhões de anos-luz.

Está brilhando estrelas nas galáxias! Nos últimos 150 anos, uma das principais realizações da astronomia e da astrofísica foi a compreensão de como as estrelas se formam, vivem, morrem e brilham durante a vida. Quando medimos a luz das estrelas de qualquer uma das galáxias visíveis, podemos dizer imediatamente quais estrelas estão presentes nela e qual é a sua massa total.

Lembre-se desse fato à medida que avançamos: a luz das galáxias, grupos e aglomerados nos fala sobre a massa de estrelas contidas em uma galáxia, grupo ou aglomerado. Mas podemos medir não apenas a luz das estrelas!

Podemos medir o movimento das galáxias, a velocidade de sua rotação, suas velocidades relativas e assim por diante. Isso nos dá muito, porque, com base nas leis da gravidade, se medirmos sua velocidade, podemos calcular quanta massa e matéria deve haver nelas!

Pense nisso: as leis da gravidade são universais, o que significa que são iguais em todo o universo. A lei que governa o sistema solar deve ser a mesma que a lei que rege as galáxias. Acontece que temos duas maneiras diferentes de medir a massa das maiores estruturas do universo:

Podemos medir a luz das estrelas que emana deles e, como conhecemos os princípios do funcionamento das estrelas, podemos assumir o quanto elas contêm massas.
Podemos medir o movimento deles, sabendo se eles estão conectados pela gravidade e como exatamente. Com base na gravidade, podemos assumir quanta massa está contida nesses objetos.

E fazemos uma pergunta importante: esses dois significados convergem e quanto?

Eles não apenas não convergem, eles nem ficam por perto! Se você calcula a quantidade de massa em estrelas, obtém um número e, se calcula a quantidade de massa com base na gravidade, obtém um número 50 vezes maior. Isso acontece independentemente de você estudar galáxias pequenas, galáxias grandes ou grupos e aglomerados de galáxias.

Acontece uma coisa bastante importante: 98% de toda a matéria do Universo não está contida nas estrelas ou nossa ideia de gravidade está incorreta. Vejamos a primeira opção, pois temos muitos dados nela.

Além das estrelas, pode haver algumas coisas que compõem a massa de galáxias e aglomerados, incluindo:

pedaços de matéria não luminosa, como planetas, luas, pequenos satélites, asteróides, blocos de gelo, etc;
gás interestelar neutro e ionizado, poeira e plasma;
buracos negros;
restos de estrelas como anãs brancas e estrelas de nêutrons;
estrelas muito escuras e estrelas anãs.

O fato é que medimos um grande número desses objetos e a quantidade total de matéria normal (composta por prótons, nêutrons e elétrons) no Universo a partir de várias observações independentes, incluindo a abundância de elementos de luz, radiação cósmica de fundo em microondas, estruturas em grande escala do Universo etc., graças à astrofísica observações. Limitamos com bastante precisão a contribuição dos neutrinos; e foi isso que aprendemos.

Cerca de 15 a 16% da quantidade total de matéria no Universo consiste em prótons, nêutrons e elétrons, e a maior parte está em gás e plasma interestelar (e intergalático). Existe possivelmente mais 1% na forma de neutrinos, e o restante está na massa, que não consiste em partículas presentes no Modelo Padrão.

Este é o problema da matéria escura. É possível que a adição de alguma nova forma invisível de matéria não seja uma solução, mas simplesmente as leis da gravidade em larga escala não funcionem dessa maneira. Deixe-me contar uma breve história do problema da matéria escura e o que aprendemos sobre isso ao longo do tempo.

A formação de estruturas de grande escala foi inicialmente mal concebida. Mas a partir da década de 1930, Fritz Zwicky começou a medir a luz das estrelas vinda de galáxias em aglomerados, bem como a velocidade de galáxias individuais em relação umas às outras. Ele notou a grande discrepância mencionada acima entre a massa presente nas estrelas e a massa que deve estar lá para conectar os aglomerados.

Este trabalho foi em geral ignorado por quase 40 anos.

Quando começamos a realizar observações cosmológicas em larga escala na década de 1970, como o PSCz, seus resultados mostraram que, além do problema da dinâmica dos aglomerados de Zwicky, as estruturas que observamos precisavam de uma fonte de massa não barioniana invisível para que essas estruturas existissem. (Estes resultados foram aprimorados por observações como 2dF, acima e SDSS.)

Também na década de 1970, o trabalho de Vera Rubin, original e muito influente, chamou nova atenção para a rotação de galáxias e para o problema de matéria escura demonstrado de maneira vívida por elas.

Com base nos dados conhecidos sobre a lei da gravidade e nas observações sobre a densidade da matéria normal nas galáxias, espera-se que, afastando-se do centro de uma galáxia espiral em rotação, as estrelas que giram em torno de seu centro diminuam sua velocidade. Isso deve lembrar um fenômeno em nosso sistema solar, quando Mercúrio tem uma velocidade orbital mais alta, então Vênus tem essa velocidade menos, Marte ainda menos, etc. Mas nas galáxias rotativas, ao contrário, verifica-se que a velocidade de rotação das estrelas permanece constante se você se afastar cada vez mais do centro, o que sugere que ela contém mais massa do que pode ser contida na matéria normal ou que as leis da gravidade exigem melhorias.

A matéria escura foi a líder entre as soluções propostas para esse problema, mas ninguém sabia se era bariônico ou não, que características de temperatura possuía e se interage consigo mesmo e com a matéria normal. Tínhamos limitações no que ela não podia fazer e algumas simulações promissoras, mas nada particularmente convincente. E então começaram a aparecer alternativas.

MOND, ou Dinâmica Newtoniana Modificada, uma dinâmica Newtoniana modificada, foi proposta no início dos anos 80 como uma explicação experimental e empírica da rotação de galáxias. Para estruturas pequenas em escala galáctica, funcionou bem, mas não conseguiu lidar com escalas grandes. Ela não podia explicar aglomerados galácticos, estruturas em larga escala e a abundância de elementos leves, entre outras coisas.

E embora os especialistas em dinâmica das galáxias compreendessem o MOND porque explicava melhor as curvas de rotação das galáxias do que a matéria escura, todo mundo era muito cético, e não em vão.

Quasar duplo, o primeiro objeto a sofrer lentes gravitacionais

Além de falhas com estruturas maiores que as galáxias individuais, a teoria acabou sendo uma teoria da gravidade não confiável. Não era relativista e não podia explicar a inclinação da luz das estrelas sob a influência da massa, a mudança gravitacional no tempo e no desvio para o vermelho, o comportamento de pulsares duplos ou todos os outros fenômenos gravitacionais relativísticos, cuja conformidade com as previsões de Einstein foi confirmada. O Santo Graal de MOND - algo que os adeptos da matéria escura exigiam, inclusive eu - era uma versão tão relativística que poderia explicar as curvas de rotação das galáxias, juntamente com todos os outros sucessos da teoria da gravidade atual.

Recentemente, a NASA divulgou um conjunto de imagens do telescópio. Hubble, que olhou ainda mais para o passado do Universo devido ao fenômeno das lentes gravitacionais, uma consequência da teoria da gravidade de Einstein. MOND não pode explicar esse fenômeno como é observado: para nenhuma das galáxias com lentes, várias imagens, alongamentos ou a magnitude da curvatura da luz.

Tudo isso requer matéria escura ou alguma fonte invisível de massa, não consistindo em nenhum Modelo Padrão conhecido de partículas. Mas essa não é a única evidência que temos que refuta alternativas à teoria de Einstein ou mesmo mudanças hipotéticas que ainda não foram descobertas, o que nos permitirá reproduzir MOND.

Ao longo dos anos, a matéria escura alcançou muitos sucessos cosmológicos. À medida que a compreensão das estruturas em larga escala do Universo melhorava de ruim para boa, e a medição exata do espectro de potência da matéria (acima) e das flutuações da radiação cósmica de fundo em microondas (abaixo) apareceu, descobriu-se que a matéria escura funciona bem em grandes escalas.

Em outras palavras, as novas observações - assim como as observações feitas para a nucleossíntese do Big Bang - correspondiam ao Universo, que contém cinco vezes mais matéria escura (não barion) do que o normal.

Então, em 2005, as evidências foram descobertas. Vimos dois aglomerados galácticos durante a colisão, e isso significa que, quando confirmarmos a teoria da matéria escura, veremos como a matéria bariônica - gás interestelar e gás intergalático - colide e esquenta, e a matéria escura e o sinal gravitacional devem passar por ela e não diminua a velocidade. Abaixo, você pode ver as observações na faixa de raios-X do cluster Bullet em rosa, na qual as lentes gravitacionais representadas em azul são sobrepostas.

Foi uma grande vitória para a matéria escura e um grande desafio para todos os modelos de gravidade alterada: se a matéria escura não existe, como o cluster teria adivinhado “separar massa e gás” após a colisão, mas não antes dela?

No entanto, pequenas escalas ainda são um problema para a matéria escura; elas ainda não explicam a rotação de galáxias individuais, bem como a MOND. E graças à sua versão relativística, TeVeS, formulada pelo falecido Jacob Bekenstein, tudo parece que a MOND tem uma chance.

As lentes gravitacionais (realizadas pela matéria comum) e alguns fenômenos relativísticos podem ser explicados com sua ajuda e, finalmente, uma maneira compreensível pareceu distinguir entre as duas teorias: era necessário encontrar um fenômeno observável em que as previsões de TeVeS diferissem das previsões da Relatividade Geral. Surpreendentemente, essa situação existe na natureza.

Estrelas de nêutrons rotativas - os remanescentes de estrelas ultramassivas que se transformaram em supernovas e deixaram para trás o núcleo atômico da massa solar - pequenos objetos, com apenas alguns quilômetros de diâmetro. Imagine um objeto 300.000 vezes mais pesado que o nosso planeta, comprimido em cem milhões de milionésimos da Terra! Pode-se imaginar que perto desses caras os campos gravitacionais se tornam realmente intensos e nos dão alguns dos testes mais convincentes no campo de campos fortes e na teoria da relatividade.

Acontece que em uma estrela de nêutrons seus "raios" axiais são direcionados diretamente para nós, e eles "pulsam" toda vez que a estrela completa sua rotação - e esses objetos pequenos podem fazer isso até 766 vezes por segundo! (No caso de tais pulsações, estrelas de nêutrons são chamadas de pulsares). Em 2004, um sistema ainda mais raro foi descoberto: um pulsar duplo!

Nos últimos dez anos, foi observada a dança gravitacional desse sistema, e o GRT de Einstein passou por um teste sem precedentes. Veja bem, quando corpos maciços se movem em órbitas entre si em campos gravitacionais muito fortes, eles devem emitir uma quantidade muito específica de radiação gravitacional. E embora não tenhamos a tecnologia para medir diretamente essas ondas, temos a capacidade de medir a diminuição de órbitas devido a essa radiação! Michael Kramer, do Instituto de Radioastronomia. Max Planck foi um dos cientistas que trabalhou com este caso, e aqui está o que ele disse sobre as órbitas neste sistema:

descobrimos que isso leva a uma diminuição na órbita de 7,12 milímetros por ano, com um erro de nove milésimos de milímetro.

E o que TeVeS e GTR podem dizer sobre essa observação?

É consistente com a teoria da relatividade em 99,95% (com um erro de 0,1%) e - preparado - descarta todas as encarnações fisicamente significativas do Bekenstein TeVeS. Como afirmou o cientista Norbert Wex com uma brevidade sem precedentes:

Do nosso ponto de vista, isso desmente os TeVeS.

De fato, a simulação mais precisa da formação de estruturas (usando GR e matéria escura) na história foi publicada recentemente e é consistente com todas as observações compatíveis com nossas capacidades técnicas. Assista a este incrível vídeo de Mark Vogelsberger e maravilhe-se!

E, considerando tudo isso, é por isso que o principal rival da matéria escura saiu da competição. Ele foi morto não por dogma, consenso ou vontade política, mas pelas próprias observações: pulsares, aglomerados em colisão, radiação cósmica de microondas, estruturas em grande escala, lentes gravitacionais. Ainda não está claro por que MOND se comporta melhor na escala de galáxias, mas até que ela possa explicar todos os outros fenômenos observados, ela permanecerá um fantasma de teoria.

Como o principal rival da matéria escura morreu

A única maneira seria mudar as leis da gravidade, mas a melhor das nossas observações observou essas mudanças.

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