A fusão de estrelas de nêutrons pôs fim às alternativas de matéria escura e energia escura

Nos últimos momentos da fusão, duas estrelas de nêutrons não apenas emitem ondas gravitacionais - há uma explosão de energia catastrófica, que responde por todo o espectro eletromagnético. A diferença no tempo de chegada entre a luz e as ondas gravitacionais nos permite aprender muito sobre o Universo

Pergunte aos astrofísicos sobre o maior mistério do Universo hoje - e as duas respostas mais comuns serão "matéria escura" e "energia escura". No que tudo consiste na Terra, os átomos, que por sua vez são compostos de partículas fundamentais, representam apenas 5% do orçamento de energia cósmica. E 95% da energia do Universo está contida nessas duas formas, na forma de matéria escura e energia escura, que até hoje não foram observadas diretamente, ou algo radicalmente errado com a nossa idéia do Universo. Alternativas para essas teorias têm sido exploradas há algum tempo, e suas várias variantes levaram a consequências físicas ligeiramente diferentes. Depois que observamos a fusão das estrelas de nêutrons e recebemos sinais na forma de ondas gravitacionais e luz de um espectro bastante amplo, grande parte dessas alternativas foi rejeitada. A matéria escura e a energia escura resistiram ao teste do experimento.


O aglomerado galáctico dinâmico ultra-massivo Abell 370 , cuja massa gravitacional (e na maioria das vezes é matéria escura) está marcada em azul

Na astrofísica e na cosmologia, existem vários quebra-cabeças importantes que a matéria escura e a energia escura deveriam resolver. Na parte da matéria escura, eles estão principalmente associados à formação, rotação e acumulação de galáxias, e em parte da energia escura estão associados à velocidade de expansão do Universo e sua evolução no tempo. Algumas das observações podem ser justificadas por um pequeno refinamento da teoria da gravidade , e isso não requer matéria escura e energia escura. As pessoas que trabalham nessas melhorias esperam encontrar uma, a certa - uma que também possa fazer novas previsões que diferem das teorias da matéria escura e energia escura - e que elas possam ser verificadas.


A formação da teia cósmica é controlada pela matéria escura, e as estruturas de maior escala são controladas pela velocidade de expansão e energia escura. Pequenas estruturas ao longo dos fios são formadas devido ao colapso da matéria comum, sujeita a interações eletromagnéticas.

Mas uma modificação da gravidade, seja tentando explicar a matéria escura ou a energia escura (para não mencionar a explicação de ambas as teorias de uma só vez), é um jogo que deve ser jogado com muito cuidado. A teoria geral da relatividade de Einstein já foi exaustivamente testada e suas previsões sempre foram cumpridas. Ao modificar a gravidade, você está mudando essa teoria, e isso deve ser feito para não contradizer todas as observações e medidas já feitas. Como resultado, muitas das variações das mudanças foram para uma área ainda não muito bem testada: aquela que permite que a velocidade da gravidade mude. Na teoria de Einstein, a velocidade da gravidade é igual à luz, sempre e com precisão. Mas muitas teorias alternativas mudam essa suposição.


A projeção em larga escala na simulação do projeto Illustris em um deslocamento de z = 0, centralizada no cluster mais massivo a uma profundidade de 15 Mpc / h [h é o parâmetro sem dimensão do Hubble / aprox. transl.]. Demonstra a transição da densidade da matéria escura (esquerda) para a densidade do gás (direita). A configuração de estruturas em larga escala do Universo não pode ser explicada sem a matéria escura, embora tentativas de modificar a gravidade estejam sendo realizadas.

Geralmente, acredita-se que a energia escura é uma constante cosmológica e que a velocidade da luz e da gravidade também é constante (e é igual uma à outra). Formulações alternativas adicionam algo mais complexo: um campo escalar ou um conjunto de campos adicionais. Este é o local comum de modelos de modificação - como a covariância galileana , gravidade massiva, gravidade com gravitacional maciço , teoria de Einstein éter , gravidade tensor-vetor-escalar , gravidade Khorava . Em muitos casos, dependendo de como o campo escalar interage com o campo gravitacional padrão (tensor) da Teoria Geral da Relatividade, a velocidade da gravidade é diferente da velocidade da luz ou das mudanças no tempo. Mas o fato de que os raios gama e as ondas gravitacionais do evento GW170817 da fusão estelar de nêutrons vieram com uma diferença de 1,7 s significa que a velocidade da gravidade deve ser igual à velocidade da luz com um erro não superior a 10 ^-15 .


Todas as partículas sem massa viajam à velocidade da luz, incluindo fótons, glúons e ondas gravitacionais, e carregam eletromagnéticas, fortes interações nucleares e gravitacionais, respectivamente. A coincidência prática do tempo de chegada das ondas gravitacionais e eletromagnéticas do GW170817 é extremamente importante.

Como resultado , um grande número de alternativas ao GTR padrão com energia escura padrão foi refutado . O fato de que a diferença de 1,7 s entre uma luz e um sinal gravitacional a uma distância de 130 milhões de anos-luz é tão pequena significa que a velocidade da gravidade não pode mudar com o tempo, ou ser sistematicamente maior ou menor que a velocidade da luz. Ao adicionar um campo escalar à teoria tensorial da gravidade, você obtém dois efeitos principais:

• Um termo tensor de velocidade adicional aparece, aumentando a velocidade de propagação das ondas gravitacionais.
• A escala de massa efetiva de Planck muda nos mashabs do espaço-tempo, o que altera a atenuação das ondas gravitacionais durante a expansão do Universo.

O fato de a velocidade da luz e a velocidade da gravidade serem iguais a essa precisão indica que todas as teorias com modificações desse tipo são seriamente limitadas e que a maioria desses modelos é, de fato, refutada.


Muitas modificações da gravidade que rejeitam a energia escura foram refutadas pelo tempo de chegada das ondas gravitacionais e eletromagnéticas.

No caso da matéria escura, as tentativas de criar gravidade modificada foram ainda piores . A maioria das modificações altera a lei da interação de objetos maciços, o que altera o potencial gravitacional nas regiões do espaço-tempo que contêm massa. Quando objetos que se movem à velocidade da luz, como fótons ou ondas gravitacionais, passam por esse espaço, esses sinais são mais lentos de acordo com as regras da relatividade geral: o efeito Shapiro . A uma distância de 130 milhões de anos-luz, o assunto que está no caminho deve atrasar esse sinal por cerca de três anos, se a idéia padrão de matéria escura for verdadeira. Mas se você mudar a gravidade para se livrar da matéria escura, alterará seriamente as propriedades da propagação das ondas gravitacionais pelo espaço.


Quando a luz, ondas gravitacionais ou qualquer partícula sem massa passa por uma área do espaço que contém uma grande quantidade de matéria, o caminho é curvado devido à distorção desse espaço, o que leva a um atraso no tempo de chegada. Na maioria das teorias da gravidade modificada, os atrasos nas ondas gravitacionais e de luz serão diferentes.

Teorias modificadas da gravidade sem matéria escura, como TeVeS ou MoG / Scalar-Tensor-Vector , têm uma peculiaridade - as ondas gravitacionais propagam-se ao longo de curvas geodésicas - caminhos diferentes no espaço-tempo - diferentes daqueles seguidos por fótons e neutrinos. Em resumo, as ondas gravitacionais devem percorrer caminhos determinados apenas pela matéria normal, e fótons e neutrinos devem percorrer caminhos determinados pela massa efetiva: matéria normal no total com efeitos emulando a matéria escura. Essa diferença levaria a uma diferença no tempo de chegada de fótons e ondas gravitacionais de aproximadamente 800 dias, em vez de 1,7 segundos observados na realidade.

Dada a correlação cruzada de ondas gravitacionais e sinais eletromagnéticos, essas opções são negadas sem matéria escura.


Várias fontes de massa no NGC 4993, onde as estrelas de nêutrons se fundiram e sua influência no atraso na passagem da luz e nas ondas gravitacionais

Quando ondas gravitacionais e fótons (ondas eletromagnéticas) se propagam no espaço, a curvatura e a expansão do espaço os afetam exatamente da mesma maneira. Ou seja, enquanto você usa GR. Se você mudar a teoria da gravidade - para tentar se livrar da matéria escura e / ou energia escura, por exemplo -, apenas a matéria e sua massa influenciarão as ondas gravitacionais, e os efeitos da modificação afetarão os fótons e outras partículas. Como as ondas gravitacionais e os sinais de luz das estrelas de nêutrons mescladas chegaram simultaneamente, eles se moveram pelo espaço na mesma velocidade e experimentaram a mesma desaceleração. A precisão precisa é suficiente para excluir os principais candidatos a uma teoria da gravidade modificada sem matéria escura.


Mapas de radiação de raios-x (rosa) e matéria total (azul) de vários aglomerados galácticos em colisão mostram uma clara separação entre a matéria normal e os efeitos gravitacionais - uma das evidências mais convincentes da existência de matéria escura. As teorias alternativas agora precisam ser tão atraídas que muitos as acham simplesmente ridículas.

Ainda existem vários modelos tensos que mantêm as esperanças da gravidade modificada - por exemplo, teorias não locais da gravidade (nas quais efeitos gravitacionais e o arranjo de massas não coincidem), ou teorias nas quais as ondas gravitacionais e as ondas eletromagnéticas obedecem a regras diferentes. Mas mesmo essas idéias são seriamente limitadas por novas observações de ondas gravitacionais e precisam se assemelhar cada vez mais aos efeitos da matéria escura e da energia escura para sobreviver. A gravidade modificada ainda não caiu no esquecimento, mas muitas de suas maiores esperanças acabaram de se romper. Einstein, com sua teoria em sua forma original e inalterada, ainda vive.