Pergunte a Ethan: se a matéria escura está em todo lugar, por que não a encontramos no sistema solar?

O halo de aglomerar a matéria escura com diferentes densidades e a enorme estrutura difusa que as simulações prevêem. Para escala, a parte brilhante da galáxia é mostrada. Como a matéria escura está em toda parte, ela também deve estar em nosso sistema solar. Então, por que ainda não a vimos?

De acordo com o enorme volume de evidências, a maior parte do universo consiste em uma certa massa de um tipo misterioso, que nunca medimos diretamente. Prótons, nêutrons e elétrons - e em geral toda a matéria, composta de partículas incluídas no Modelo Padrão - dos quais planetas, estrelas e galáxias que descobrimos em todo o Universo são constituídos, representam apenas 15% de sua massa total. O resto consiste em algo completamente diferente: matéria escura e fria. Mas se a matéria escura está em toda parte e em grandes quantidades, por que não vimos no sistema solar? Esta é a pergunta que nosso leitor faz:

Toda evidência da presença de matéria escura e energia escura refere-se ao cosmos distante. É bastante suspeito que não vejamos nenhuma evidência de sua existência aqui em nosso sistema solar. Ninguém nunca relatou nenhuma anomalia nas órbitas dos planetas. No entanto, eles foram medidos com muita precisão. Se o Universo estiver 95% escuro, esses efeitos poderão ser medidos localmente.

É isso mesmo? Esse foi um dos primeiros pensamentos que me passaram pela cabeça quando descobri a matéria escura (TM), 17 anos atrás. Vamos descobrir e descobrir a verdade.



A teia cósmica da matéria escura e a estrutura em larga escala que ela forma. A matéria normal está presente, mas apenas 1/6 da quantidade total de matéria. Os 5/6 restantes são matéria escura e nenhuma quantidade de matéria comum pode lidar com isso.

A idéia principal da MT é que, em algum momento de um universo muito jovem, antes do aparecimento de galáxias, estrelas ou átomos neutros, havia um mar quase perfeito e suave de MT, distribuído por todo o espaço. Com o tempo, a gravidade e outras forças passaram por vários estágios interconectados:

• toda matéria, normal e escura, é atraída pela gravidade,
• áreas com densidade acima da média crescem, atraindo ambos os tipos de matéria,
• a radiação colide com a matéria normal e a pressiona,
• mas com a TM isso não acontece, pelo menos não ocorre exatamente da mesma maneira.

Isso cria uma imagem muito definida de áreas de alta e baixa densidade no universo; um padrão que aparece quando olhamos para a radiação relict (RI).



As flutuações do RI são tão pequenas e tão características que indicam de maneira convincente que o Universo, no início, tinha a mesma temperatura em todos os lugares e também continha matéria escura, matéria comum e energia escura em certas proporções.

RI é o brilho residual do Big Bang: a radiação que caiu em nossos olhos, tendo percorrido o caminho desde o momento em que átomos neutros estáveis ​​se formaram no Universo. Hoje observamos uma fotografia do Universo durante a transição de um plasma ionizado para um conjunto de átomos eletricamente neutros, quando a pressão de radiação se torna insignificante. As áreas frias correspondem a regiões de maior densidade, uma vez que a radiação precisa gastar energia adicional (mais que a média) para sair desses poços de gravidade; pontos quentes - respectivamente, regiões com densidade reduzida.



As áreas de alta, média e baixa densidade que existiam quando o Universo tinha apenas 380.000 anos agora correspondem às partes frias, médias e quentes do RI

O desenho de áreas frias e quentes em todas as escalas que podemos observar e a correlação entre elas nos dizem sobre a composição do Universo: 68% de energia escura, 27% de TM, 5% de matéria normal. Com o tempo, essas áreas de maior densidade cresceram em estrelas, aglomerados de estrelas, galáxias e aglomerados galácticos, e áreas de densidade reduzida deram sua importância às áreas de maior densidade ao seu redor. E embora só possamos ver a matéria normal, devido ao fato de ela emitir e interagir com a luz e outros tipos de radiação, a MT é a força dominante responsável pelo crescimento gravitacional das estruturas do Universo.



Um estudo cuidadoso do Universo demonstra que ele consiste em matéria, e não em antimatéria, que a MT e a energia escura são necessárias e que não conhecemos as fontes de todos esses mistérios. No entanto, as flutuações do IR, a formação e as correlações entre estruturas de grande escala e as observações modernas das lentes gravitacionais apontam para a mesma imagem.

Como a matéria normal interage consigo mesma, o colapso gravitacional da matéria normal e escura ocorre de diferentes maneiras. Um pedaço de matéria normal, reunido sob a influência da gravidade, começa a encolher. A compressão primeiro passa pela dimensão mais curta, mas a matéria normal interage e colide com outras partículas da matéria normal - assim como suas mãos, embora sejam constituídas por átomos que são quase espaço vazio, elas baterão palmas quando você tentar segurar um braço através de outro. Essa interação leva ao aparecimento de um disco rotativo da matéria - tudo flui dele, das galáxias de disco (em espiral) para os sistemas solares, os planetas nos quais se movem em órbitas no mesmo plano. A matéria escura, por outro lado, não colide com ela mesma ou com a matéria normal, razão pela qual permanece na forma de um halo grande e extremamente escasso. E, embora exista mais matéria escura do que o habitual, sua densidade, por exemplo, em nossa galáxia, é muito menor nos lugares onde há estrelas.



Durante a revolução da Terra em torno do Sol, nosso movimento através da MT em nossa galáxia muda, portanto seu halo deve demonstrar várias propriedades de interação

E agora chegamos à questão principal. Como a MT afeta o sistema solar? A maior parte do que você provavelmente imagina será verdadeira de uma maneira ou de outra: as partículas da MT devem voar por toda parte no espaço, incluindo todo o espaço da Via Láctea. E isso significa que a MT deve estar no sistema solar, no sol, deve passar pelo nosso planeta e nossos corpos. A grande questão é a seguinte: em comparação com as massas do Sol, planetas e outros objetos do sistema solar, qual será a massa da MT em que estamos interessados?



No sistema solar, para uma primeira aproximação, as órbitas dos planetas são determinadas pelo sol. Na segunda aproximação, todas as outras massas (planetas, luas, asteróides, etc.) desempenham um papel importante. Mas para adicionar aqui também a TM, você precisa aumentar bastante a precisão.

Para responder, primeiro precisamos entender o que determina as órbitas dos objetos dentro do nosso sistema solar. Por uma ampla margem, o Sol será a massa dominante no Sistema Solar. Com uma aproximação muito precisa, determina as órbitas dos planetas. Mas para Vênus, o planeta Mercúrio será interno e, em uma primeira aproximação, a órbita de Vênus é determinada pela massa total do Sol e Mercúrio. A órbita de Júpiter é determinada pela soma da massa do Sol e de todos os planetas internos, além do cinturão de asteróides. Para qualquer objeto como um todo, sua órbita é determinada pela massa total encerrada em uma esfera imaginária centralizada no Sol e esse objeto nos limites da esfera.



Na Teoria Geral da Relatividade, no caso de uma distribuição uniforme da MT (ou de qualquer massa) no espaço, apenas a massa contida dentro de sua órbita afeta o movimento de um objeto; uma massa homogênea fora da órbita não afeta nada [teorema de Birkhoff / aprox. perev.]

Se houver um mar de HM permeando todo o espaço em que você e eu estamos - todo o sistema solar -, os planetas exteriores devem interagir com uma massa um pouco maior que os interiores. E se houver muita MT, deve haver uma maneira de detectá-la. Como conhecemos a massa da Via Láctea, a densidade relativa da matéria normal e escura, e temos simulações mostrando como a densidade da MT deve se comportar, podemos fornecer estimativas muito boas. E depois de realizar esses cálculos, verifica-se que cerca de 10 ¹³ kg de HM devem afetar a órbita da Terra, e 10 ¹⁷ kg devem afetar a órbita de um planeta como Netuno.

Mas esses números são pequenos se comparados ao resto das massas! A massa do Sol é 2 × 10 ³⁰ kg, a massa da Terra é 6 × 10 ²⁴ . As massas que mencionamos no intervalo 10 ¹³ - 10 ¹⁷ kg são comparáveis ​​com a massa de um asteróide modesto. Um dia, talvez, seremos capazes de entender o sistema solar com tanta precisão que podemos detectar diferenças tão pequenas, mas até agora superamos esse erro em cerca de 100.000 vezes .



Nossa galáxia está localizada dentro do halo enorme e disperso da TM, então a TM deve fluir dentro do Sistema Solar. Como sua densidade é extremamente baixa, é muito difícil detectá-lo localmente.

Em outras palavras, a TM deve estar no sistema solar e afetar o movimento dos planetas externos, não como o movimento dos planetas internos, devido à quantidade de massa localizada em uma esfera centralizada no Sol e a um raio na distância do planeta. Você pode estar interessado na questão de saber se a interação de muitos corpos, a saber, MT, planetas e o Sol, pode levar à captura de uma quantidade adicional de MT. Este é um problema interessante, e escrevi um trabalho sobre esse assunto há cerca de 10 anos. Meus colegas e eu descobrimos que a densidade da MT pode aumentar muito, mas apenas se você não levar em consideração a massa capturada, que provavelmente será lançada de volta. Mas, mesmo com esse aumento, a massa máxima da MT, após 4,5 bilhões de anos (magenta no gráfico), ainda está muito abaixo de todas as limitações observadas.



O número de HM galáctico dentro das órbitas dos planetas de diferentes raios do nosso Sistema Solar (azul) e o número total de HM que deveriam ter sido capturados durante toda a vida do Sistema Solar, sem levar em conta suas emissões, bem como o melhor limite retirado do trabalho de 2013 , de acordo com o número máximo de TM, que, em princípio, pode estar conosco. Ainda não tivemos a oportunidade de verificar sua disponibilidade.

Em nosso sistema solar, existe realmente a MT, e deve ter um impacto real em todas as outras partículas de matéria ao seu redor. Se houver interação cruzada entre partículas da matéria normal e escura, em experimentos de detecção direta, deve ser possível detectá-la diretamente na Terra. E, se não, os efeitos gravitacionais da MT que passa pelo sistema solar, capturados e livres gravitacionalmente, devem afetar as órbitas dos planetas. Mas até que nossas medições sejam suficientemente precisas, esse efeito gravitacional não será suficiente para qualquer detecção direta. Até agora, temos que olhar para o Universo fora do sistema solar, a fim de observar o efeito da MT no espaço-tempo.