Esta é uma tradução de um artigo de Mark Anderson de New Scientist (18 a 24 de março de 2017).
Força surpreendentemente atraente
Em teoria, a gravidade deve ser uma força previsível. Nós estamos bem familiarizados com ela, graças a ela estamos firmemente na Terra e nossa atmosfera não voa para o espaço. Se tomarmos uma escala maior, essa força influenciará a evolução do próprio universo. Como é insultuoso que às vezes a gravidade nos falha. Para explicar a rotação espiral de galáxias e aglomerados de galáxias por gravidade na forma em que a entendemos, precisamos criar uma forma completamente nova de matéria que ninguém jamais tenha testemunhado em primeira mão - matéria escura. Para explicar a aceleração da expansão do Universo, precisamos inventar uma entidade igualmente misteriosa - a energia escura.
Mas e se nunca entendermos completamente a gravidade? E se a gravidade não seguir as regras em algum lugar fora do nosso campo de visão?
Pensar assim é praticamente heresia, embora essas idéias não sejam novas. Recentemente, no entanto, pesquisas recentes sobre galáxias e resultados inesperados do campo da informática quântica nos levaram a uma nova força para repensar nossa compreensão da gravidade. Novas idéias radicais aparecem nas quais nossas idéias sobre espaço-tempo e a essência da gravidade são completamente transformadas. Não há lugar para a matéria escura na nova imagem do mundo, e a energia escura, em vez de resistir à gravidade, pode gerá-la parcialmente.
Quase tudo o que sabemos sobre a gravidade nos foi dado por Isaac Newton e Albert Einstein. Newton explicou-nos que a força da atração diminui inversamente com o quadrado da distância, e Einstein - que a gravidade aparece como resultado da curvatura do espaço-tempo por objetos maciços.
A lei da gravitação universal de Newton afirma que nas estrelas mais distantes do centro da galáxia, a força da gravidade é mais fraca do que nas estrelas localizadas mais próximas do centro da galáxia, portanto a velocidade da primeira é mais baixa. No entanto, na década de 1970, astrônomos, incluindo Vera Rubin, notaram que a velocidade das estrelas distantes do centro das galáxias não diminuiu conforme o previsto. Em vez disso, a velocidade diminuiu, o que só poderia ser explicado pela presença de alguma matéria invisível ao redor da galáxia e criando atração adicional. Desde então, tentamos, sem sucesso, encontrar esse assunto.
O jogo não é pelas regras
É verdade que nem todos participaram das pesquisas. Nos anos 80, Mordehai Milgrom, então trabalhando na Universidade de Princeton, mostrou que podemos explicar as esquisitices na velocidade de rotação das galáxias sem a participação da matéria escura. Para fazer isso, precisamos apenas descartar a ideia de que, com o aumento das distâncias, a gravidade sempre se comporta como previsto por Newton e Einstein. A teoria de Milgrom, conhecida como MOND (Dinâmica Newtoniana Modificada), sugere que a gravidade enfraquece mais suavemente do que Newton alegou. Assim que a aceleração de um objeto causado pela gravidade cai abaixo de um certo valor, ou antes se torna 82 bilhões de vezes mais fraca que a aceleração da gravidade na Terra, a gravidade muda repentinamente para um novo modo.
Milgrom alcançou algum sucesso ao aplicar sua teoria a galáxias espirais, mas o MOND não foi amplamente utilizado. Para começar, com sua ajuda, era impossível calcular aglomerados de galáxias que não poderiam formar aglomerados adequados sem a participação da matéria escura ou sem fazer mudanças mais radicais na teoria da gravidade além das permitidas pela MOND. Além disso, as mudanças sugeridas por essa teoria pareciam aleatórias demais. Por que a força da gravidade mudaria repentinamente nesse ponto aparentemente arbitrário?
E, no entanto, o MOND ainda permanece à tona e em menor grau devido ao fato de que a matéria escura nunca foi detectada. "Existem duas possibilidades", diz John Moffat, do Instituto Perimeter de Física Teórica, em Waterloo, Canadá, "ou encontraremos uma fonte invisível de atração adicional e garantiremos que Newton e Einstein estavam certos, ou não encontraremos nada. Nesse caso, precisaremos refinar a gravidade ".
No ano passado, talvez, finalmente, tenha chegado um ponto de virada. Stacy McGaugh, astrônoma da Case Western Reserve University, em Cleveland, Ohio, e seus colegas revisaram mais de 150 galáxias espirais da pele com a nossa Via Láctea. Quando compararam a força calculada da atração com a velocidade de rotação do disco das galáxias, descobriram que mais perto da borda do disco, as estrelas giram em velocidades anormalmente altas.
E o que é isso? Afinal, é precisamente esse comportamento que já observamos várias vezes antes, e pode ser explicado ao envolver a galáxia com uma nuvem de matéria escura. No entanto, em uma avaliação estatística, McGaw usou o controle cruzado. Ele pegou toda a matéria visível em todas as galáxias e comparou a força atrativa dessa matéria em cada ponto com a velocidade de rotação das estrelas próximas. Como resultado, ele recebeu uma relação surpreendentemente próxima entre a velocidade de rotação das galáxias e a distribuição da matéria visível que elas contêm.
Lee Smolin, um teórico do Perimeter Institute, no Canadá, ficou surpreso. Esse relacionamento é "equivalente à lei da natureza", diz ele. Você não espera que isso aconteça se algo diferente da matéria visível afetar as galáxias.
Ainda mais surpreendente é o fato de que essa estreita relação entre a matéria visível e o movimento das estrelas permanece em uma ampla gama de galáxias diferentes, mesmo que a matéria escura nelas esteja distribuída de maneira diferente. A matéria escura não deve seguir humildemente a matéria comum. Portanto, ou ele interage com a matéria comum ou é mais forte do que o que o modelo simples prevê, ou algo está errado com a gravidade.
O trabalho de McGaw não é a única razão para nos forçar a levantar essa questão herética novamente. Um dos maiores problemas para o MOND é o comportamento dos aglomerados de galáxias. Como as estrelas na borda das galáxias, as galáxias na borda dos aglomerados também se movem muito rápido - um fato que é explicado pela matéria escura. A observação do efeito da lente gravitacional (uma ligeira curvatura da luz pelo campo gravitacional de objetos maciços) sugere que a força adicional que transmite velocidade às galáxias não está onde está a matéria visível. É simplesmente impossível explicar o comportamento de aglomerados de galáxias sem a participação de matéria invisível, pelo menos acredita-se.
O exemplo mais famoso é o cluster de balas (Bullet CLuster 1E 0657-558, imagem do título), nomeado por sua semelhança com a imagem em câmera lenta de uma bala destruindo um alvo. Para muitos caçadores de matéria escura, essa é a melhor evidência de que eles não caçam esta besta em vão, e ela existe. Pavel Kroupa, da Universidade de Bonn, na Alemanha, afirma o contrário - essa colisão intergaláctica de alta velocidade só pode ser explicada pela teoria MOND.
"A comparação com a imagem de uma bala atingindo um alvo é certamente uma piada para as massas", diz ele. Krupa afirma que, em um período de tempo realista, a gravidade padrão é muito fraca para causar colisões tão quentes e violentas de galáxias, como observamos no aglomerado de balas. A matéria escura nos estágios iniciais de uma colisão pode dar a alta velocidade que observamos, mas já interferirá em todas as interações subseqüentes. "O halo da matéria escura se assemelha a uma teia", diz Krupa. "Ele captura qualquer galáxia em seu caminho." Portanto, é muito difícil explicar um par de galáxias em colisão que continuam a se mover em alta velocidade mesmo após uma colisão. "Este é um grande problema para um modelo cosmológico padrão", diz Krupa. "Mas com a gravidade modificada ... não existe esse problema".
A essência do MOND é que, a distâncias galácticas e intergalácticas, onde não podemos medir diretamente a força da gravidade, ela é mais forte do que pensávamos. E essa, e não uma matéria invisível, será a explicação mais simples de por que a matéria em tal escala se move mais rápido e colide mais do que Newton e Einstein previram.
Isso não significa que a teoria MOND não tenha problemas definidos quando se trata de interação dentro de aglomerados de galáxias. No Bullet Cluster usando telescópios, identificamos dois lugares distintos onde a lente gravitacional é mais pronunciada, o que significa que há uma concentração maior de massa, o que não coincide com a quantidade de matéria comum que observamos nesses locais.
Milgrom insiste que esse problema não é uma ameaça tão terrível para o seu modelo, como muitos acreditam. “Apenas uma pequena quantidade de massa não contabilizada, que pode vir a ser a matéria mais comum, por exemplo, estrelas mortas ou nuvens de gás frio, que ainda não descobrimos, é suficiente”, diz ele.
Mas, embora as observações não tenham confirmado isso, outros cientistas estão procurando soluções teóricas para esse problema. Uma dessas soluções é um modelo híbrido no qual a matéria escura se comporta como um lobisomem - ela passa livremente pelas galáxias, criando uma gravidade adicional consistente com a teoria MOND, mas em aglomerados de galáxias se comporta como a matéria escura comum.
Outra opção que de repente voltou à moda é modificar o MOND. É exatamente o que Moffat faz. Em seu entendimento, a força atrativa muda após adicionar a força repulsiva, que por sua vez depende da distância, por causa da qual, a pequenas distâncias, a força atrativa obedece à lei do quadrado inverso de Newton, mas nos arredores da galáxia ela enfraquece. Em tal imagem do mundo, a gravidade é mais forte do que Newton acreditava, e se comporta como previsto pela MOND.
Moffat afirma que sua teoria pode explicar a rotação de galáxias e velocidades anormais no aglomerado de balas. Mas a principal característica de sua teoria é que perto dos buracos negros as forças de atração são mais fortes do que o MOND prevê, o que pode nos dar a chance de testar essa teoria.
Se pudéssemos olhar para um buraco negro, veríamos um disco preto cercado por uma sombra causada por lentes gravitacionais extremamente fortes. Em 2015, Moffat calculou que, de acordo com sua teoria, a sombra em torno de um buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea seria 10 vezes maior do que o previsto por GR. E então Event Horizon entra em cena
Telescópio (EHT) - uma rede global de radiotelescópios, cujo lançamento está previsto para abril deste ano, pela primeira vez capaz de obter imagens detalhadas de buracos negros. Pelo menos teoricamente, podemos observar essa sombra inchada, se é claro que está lá.
No entanto, o que quer que escolhamos, a teoria tradicional MOND ou a gravidade modificada de Moffat, há um enorme problema que não pode ser ignorado - a evidente falta de uma teoria fundamental. Por que a gravidade se desvia repentinamente do curso que Newton e Einstein estabeleceram para ela, e até, ao que parece, em um ponto aleatório? A resposta para essa pergunta pode ser obtida se revisarmos radicalmente nossa compreensão da essência da gravidade.
No ano passado, Erik Verlinde, da Universidade de Amsterdã, na Holanda, ofereceu uma nova perspectiva sobre isso. A gravidade, ele acredita, não surge por si só, mas como resultado de interações entre bits emaranhados de informações quânticas.
O emaranhamento é uma conexão profunda e ao mesmo tempo profundamente paradoxal entre pares ou grupos de partículas, quando a exposição a uma partícula causa uma reação em outras, mesmo que separadas por grandes distâncias. Desde o final dos anos 90, os físicos aprenderam como obter a gravidade newtoniana e de Einstein usando redes de bits quânticos emaranhados. O problema é que ele só funciona no universo teórico conhecido como Espaço Anti-de Sitter, que se comporta de maneira diferente do universo em que vivemos.
A principal diferença é que, em nosso universo, o vácuo não é tão calmo e quieto. Ele está fervendo de energia escura, uma substância ou força misteriosa, que se acredita ser responsável por acelerar a expansão do espaço-tempo.
Em vez de tentar resolver esse problema, Ferlinde observou como a gravidade, causada pela interação entre bits emaranhados de informações quânticas, se comporta em um universo onde há energia escura. Como resultado, ele obteve uma nova imagem da gravidade, na qual a energia escura confere ao emaranhado de bits quânticos um pouco de elasticidade extra.
“Parece que a energia escura é um meio elástico”, diz Ferlinde, “e se você adicionar massa lá, deforma esse meio”. Elasticidade adicional, ele acrescenta, criada pela energia escura, alimenta a força da atração a grandes distâncias, o que leva ao aparecimento de efeitos adicionais a uma distância que se assemelha à teoria MOND de Milgrom.
As ideias de Ferlinde causaram uma grande impressão, mas ainda não está claro como elas estão conectadas. "Ele começa com energia escura e diz que isso leva a algo que se assemelha à matéria escura", diz Sabine Hossenfelder, do Instituto de Estudos Avançados de Frankfurt, na Alemanha. “Ele está fazendo o possível para conciliar suas hipóteses com a grande suposição que, nos últimos anos, ganhou grande popularidade, que o espaço-tempo surge do emaranhado. Mas não tenho certeza de que seja necessário. "
Em um estudo recente, verificou-se que, se considerarmos o ponto de vista de Ferlinde sobre a gravidade, podemos explicar as anomalias nas lentes gravitacionais observadas perto de cerca de 30.000 galáxias. Mas sua teoria foi criticada por fazer previsões que realmente divergem do MOND. Em um trabalho científico em coautoria com McGaugh, por exemplo, diz que a teoria de Ferlinde diverge da MOND em geral - uma explicação da rotação anormal das galáxias. Além disso, sua teoria prediz o movimento dos planetas, que na verdade não observamos em nosso sistema solar.
Smolin, por sua vez, propôs uma tentativa mais modesta de derivar a física MOND dos princípios da gravidade quântica e, diferentemente da teoria de Ferlinde, seus resultados não divergem da teoria MOND. Nenhum deles afirma que ele recebeu uma teoria completa da gravidade quântica. Mas uma coisa é clara - para a pergunta por que a gravidade se comporta tão estranhamente a grandes distâncias, os teóricos começaram a receber respostas.
"Não sabemos aonde a teoria final nos levará, porque ainda não a trouxemos", diz McGaw. "Portanto, antes de avançar, não podemos chegar a lugar nenhum desde o tempo de confusão e vacilação".