Como a matéria escura se tornou uma hipótese popular

Por que consideramos essa ou aquela teoria ou hipótese convincente e suas alternativas improváveis? A resposta a essa pergunta preocupa os filósofos da ciência há muitas décadas: a controvérsia de Karl Popper e Thomas Kuhn há mais de 40 anos. Um exemplo relativamente recente sobre o qual discutir é o desenvolvimento de idéias sobre a matéria escura. Sinais de sua existência foram descobertos na década de 1930, mas somente na década de 1970 essa hipótese começou a ser considerada a principal. Porque



O problema da matéria escura hoje é um dos principais, tanto para a astrofísica quanto para a física como um todo. Sabe-se que, aparentemente, cerca de 80% da massa de galáxias consiste em uma substância desconhecida pela ciência, que não se manifesta de maneira alguma, exceto por sua gravidade. Surpreendentemente, embora os primeiros sinais da existência dessa massa, escondidos de nossos olhos, tenham sido descobertos na década de 1930, os cientistas realmente não adotaram essa hipótese na década de 1970. Por que isso aconteceu? Uma resposta possível é sugerida pelos autores do artigo Como a matéria escura chegou à matéria , publicada recentemente em arxiv.org. Vou fazer uma breve recontagem de suas teses.

O problema da velocidade de propagação de galáxias em aglomerados

Em 1933, foi publicado o agora famoso artigo de Fritz Zwicky, no qual, tendo estudado as velocidades observadas do movimento das galáxias no Cluster de Cabelo Veronica, ele descobriu que a propagação era muito grande - o cluster deveria se desfazer, já que sua massa total aparente claramente não é suficiente para sustentar tal galáxias rápidas. Dois astrônomos chegaram a uma conclusão semelhante - Eric Holmberg e Sinclair Smith, que estudaram outros sistemas galácticos.

Como uma das explicações, Zwicky introduziu a hipótese da matéria escura - uma substância invisível que cria gravidade adicional e impede a dispersão de aglomerados. No entanto, uma discussão séria dessas observações começou apenas após duas décadas.

No final da década de 1950, surgiram medições mais precisas dos aglomerados galácticos, confirmando as observações da década de 1930 e tornando-as mais completas. Então, em 1958, Victor Hambardzumyan apresentou uma hipótese alternativa: o que vemos não é um estado de equilíbrio. As galáxias realmente se separam, tivemos a sorte de observá-las em um momento em que ainda estão relativamente próximas uma da outra.

Essa hipótese, no entanto, teve um grande problema. Segundo estimativas, a expansão das galáxias deve ocorrer em dezenas ou centenas de milhões de anos, o que é centenas de vezes menor que a idade do Universo. Para o nosso tempo, não deveria haver um único aglomerado galáctico. Mas vemos que, na verdade, existem muitos clusters.

Seja como for, a ideia de que a substância visível é apenas um quinto da massa total parecia não menos radical, surgiram muitas explicações alternativas. Eles tentaram explicar a massa oculta com enormes áreas hipotéticas de hidrogênio ionizado, um grande número de galáxias anãs, a necessidade de modificar as leis da gravidade, a alta densidade de radiação gravitacional, a existência de buracos negros de relíquia, neutrinos maciços e, é claro, simplesmente erros de observação.

O problema das curvas de rotação da galáxia

Ao mesmo tempo, surgiu um problema em um campo completamente diferente da astronomia, que também poderia ser resolvido pela hipótese da matéria escura. Nas décadas de 1950 e 1960, a radioastronomia se desenvolvia ativamente, o que tornava possível "ver" o hidrogênio neutro anteriormente invisível, com base na famosa linha de 21 cm. Com sua ajuda, a velocidade de rotação do gás nas galáxias foi medida e suas curvas de rotação foram construídas - a dependência da velocidade de rotação das estrelas e do gás em torno do centro da galáxia, à distância desse centro.

E no início dos anos 70, descobriu-se que essas curvas são muito "planas". Esperava-se que, de acordo com as leis de Kepler, as velocidades diminuíssem ao se afastar do aglomerado principal de massa visível, mas permanecessem quase constantes. Houve um problema de onde vem a gravidade "extra", proporcionando uma velocidade mais alta.

A situação, no entanto, era ambígua. Embora tenha sido explicitamente declarado em alguns trabalhos que as curvas de rotação observadas podem ser explicadas por uma certa massa adicional não acessível para observação direta, esse ponto de vista não prevaleceu. Parte do problema era que havia muitos modelos de rotação de galáxias e, variando os parâmetros neles, era possível obter uma concordância relativamente boa com as curvas observadas.

Bem, embora, mesmo assim, a hipótese da matéria escura pudesse resolver os dois problemas de uma só vez, era apenas uma de muitas hipóteses possíveis, na época não muito convincentes e também não sem suas desvantagens. E, em geral, poucos consideraram esses dois problemas juntos.

Problemas de cosmologia

Uma mudança significativa na percepção da hipótese da matéria escura ocorreu devido ao desenvolvimento de um campo completamente diferente - a cosmologia.

No início do século XX, a maioria dos cientistas acreditava que nossa galáxia é o universo inteiro. Mas em meados do século ficou claro: isso está longe de ser o caso. A mesma radioastronomia levou à descoberta de um grande número de galáxias e, posteriormente, em 1963, objetos de uma natureza completamente nova - quasares, objetos distantes e super brilhantes que existiam no início do Universo. Ficou claro que o Universo não é estático, mas de alguma forma evolui. Então a cosmologia surgiu.

A principal tarefa da cosmologia era descobrir em que cenário o universo está se desenvolvendo. De acordo com o modelo mais popular, com o nome de Friedman, existem três versões do universo: plana, aberta e fechada. Qual deles corresponde ao nosso Universo depende dos parâmetros nas equações. Esses parâmetros devem, é claro, ser determinados a partir de observações, e o principal é a densidade da matéria no Universo.

O mais atraente - principalmente de alguns sentimentos estéticos abstratos - para muitos cosmólogos era o modelo de um universo fechado. Para isso, a densidade da substância nela deve ser da ordem de 10 a ²⁹ g / cm³. De fato, a estimativa da massa aparente era cem vezes menor - 10 a ³¹ g / cm³. Era impossível ignorar essa discrepância.

Combinando três problemas em um e resolvendo

E aqui os cosmólogos vieram em socorro e surgiram problemas conhecidos com curvas de rotação e a propagação das velocidades de galáxias em aglomerados. Em 1974, Jim Peebles, Jerry Ostriker e Amos Yahil reuniram tudo e mostraram que a hipótese da matéria escura resolve todos os três problemas. A elegância dessa conclusão, no entanto, foi ofuscada pelo fato de que, mesmo levando em conta a massa oculta das galáxias, a densidade do universo ainda era cinco vezes menor do que a necessária para um cenário "fechado". No entanto, isso já não era uma centena de vezes, e com um coeficiente de menos de 10, os astrofísicos aprenderam a aguentar muito antes disso - ainda assim, as medidas neste campo da ciência nem sempre eram muito precisas.

A mesma conclusão foi alcançada simultaneamente por outro grupo de cientistas - o grupo estoniano do Observatório Tartu, composto por Jaan Einasto, Ants Kaasik e Enna Saar. O artigo deles apareceu na revista Nature ao mesmo tempo que o artigo dos americanos, embora o tenha enviado algumas semanas antes.

Seja como for, foram os cosmologistas e seu campo científico jovem e em rápido desenvolvimento que finalmente se tornaram a "cola" que combinou evidências díspares e não muito convincentes em uma teoria única e bastante coerente, baseada em apenas uma hipótese - a hipótese matéria escura.