Página Inicial » Espaço Sideral


 

|02|

Entendendo o que é matéria escura

É uma parte do Universo que os astrônomos sabem que existe, mas ainda não sabem exatamente o que seja. É matéria, porque se consegue medir sua existência por meio da força gravitacional que ela exerce. E é escura, porque não emite nenhuma luz. Essa segunda propriedade é justamente o que dificulta seu estudo. Todas as observações de corpos no espaço são feitas a partir da luz ou de outro tipo de radiação eletromagnética emitida ou refletida pelos astros. Como a matéria escura não faz nenhuma dessas coisas, é "invisível". Ainda assim, sabe-se que ela está lá.

Na década de 1930, o astrônomo Fritz Zwicky, um húngaro radicado nos Estados Unidos, calculou a massa de algumas galáxias e percebeu que ela era 400 vezes maior do que sugeriam as estrelas observadas! A diferença está justamente na massa de matéria escura. E quanta diferença! Pelas contas do professor Fritz, você deve ter percebido que ela não é apenas um detalhe na composição do Universo, e, sim, seu principal ingrediente. Hoje em dia, calcula-se que ele corresponda a mais ou menos 95% do Universo.

Existem várias teorias sobre o que seria a tal massa escura. O mais provável é que ela seja feita de partículas subatômicas, menores que nêutrons, prótons e elétrons e ainda indetectáveis pelos atuais instrumentos de medição dos cientistas. Para terminar, vale um esclarecimento: apesar da semelhança no nome, matéria escura não tem nada a ver com buraco negro. "A massa escura é um componente do Universo, sem luz, enquanto o buraco negro é um objeto astrofísico com um campo gravitacional tão forte que não deixa nem mesmo a luz escapar", afirma o astrônomo Enos Picazzio, da Universidade de São Paulo (USP).

Ninguém consegue vê-la, senti-la, ou mesmo saber o que é. Mas sem a misteriosa substância chamada matéria escura, as galáxias se fragmentariam. Uma simulação feita em computador por John Dubinski, um astrofísico da Universidade de Toronto, representa a matéria escura como uma enorme rede de filamentos espalhada pelo espaço, mostrada em branco acima. Segundo os cálculos de Dubinski e outros astrofísicos, o universo visível – estrelas e galáxias – é uma mera farpa do que há lá fora. A matéria escura é uma partícula grande sem carga elétrica; sua única marca é sua força gravitacional. Os especialistas calculam que os experimentos dos próximos dez anos conseguirão finalmente isolar partículas da matéria escura e desvendar o maior mistério do universo.

Ao olhar para cima, à noite, você consegue ver inúmeras estrelas espalhadas pelo céu. Quando os astrônomos conseguem um alcance mais profundo do universo com telescópios poderosos, eles vêem muitas galáxias, organizadas em grandes aglomerados e outras estruturas. Isso pode levar você a acreditar que o universo é formado principalmente de galáxias, estrelas, gases e poeira - coisas que você consegue enxergar. Entretanto, a maioria dos astrônomos acredita que a matéria visível forma apenas uma pequena fração da massa do universo. A maior parte dele é feita de matéria que não conseguimos ver - chamada matéria escura. O que exatamente é a matéria escura? Como podemos detectá-la? Que importância ela tem no universo como um todo?

O que é matéria escura?

A matéria escura não pode ser vista por astrônomos com telescópios. Ela não emite nem reflete luz, por isso, não brilha como uma estrela. Basicamente, a matéria escura não pode ser vista - os cientistas conseguem apenas imaginar onde ela está com base nos efeitos gravitacionais do que eles podem ver.

Não conseguimos ver a matéria escura, mas podemos detectá-la por seus efeitos na matéria normal por meio da gravidade (rotação, efeitos de lentes gravitacionais) e pelos raios-X emitidos pela matéria escura quente. Então, o que é exatamente a matéria escura? Do que é feita? Vamos analisar as teorias existentes a respeito dela.

Composição da matéria escura
 
Sejamos claros - não sabemos a natureza exata da matéria escura. Mas podemos analisar algumas possibilidades.

Primeiro, a matéria escura poderia ser matéria comum, feita de prótons, nêutrons e elétrons. Essa matéria comum não emite nem absorve luz, mas mostra os efeitos gravitacionais. Veja a seguir algumas possibilidades.

Anãs marrons - objetos grandes formados da mesma maneira que as estrelas, mas nunca acumularam gases e poeira suficientes para chegar à massa crítica e iniciar a fusão do hidrogênio (veja Como funcionam as estrelas, Como funciona o Sol). As anãs marrons têm cerca de 5% da massa do Sol, isto é, são geralmente maiores que um planeta, mas não tão grandes quanto uma estrela. Os astrônomos chamam essas "estrelas" e objetos semelhantes de Machos (Massive Compact Halo Objects - Objetos massivos compactos de halo). Os Machos podem ser detectados pelos efeitos de lentes gravitacionais. Os astrônomos acham que as anãs marrons não são numerosas o bastante para serem responsáveis pela matéria escura na galáxia.

Anãs brancas - são os restos dos núcleos de estrelas pequenas e médias mortas (veja Como funcionam as estrelas). Embora existam muitas anãs brancas, elas não são suficientes para formar a matéria escura (deveria haver grande quantidade de hélio remanescente delas, mas isso não foi observado).

Estrelas de nêutrons/buracos negros - são os últimos restos dos núcleos das grandes estrelas após as explosões de supernovas (veja Como funcionam as estrelas, Como funcionam os buracos negros). Embora tenham efeitos gravitacionais grandes e sejam invisíveis uma vez que não conseguem evitar que a luz escape (buracos negros), são muito raras para justificar a matéria escura.
Em segundo lugar, a matéria escura pode ser um tipo totalmente novo de matéria, ou matéria extraordinária. A matéria extraordinária consiste provavelmente em partículas subatômicas que interagem muito pouco com a matéria comum e foram chamadas de WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles - Partículas de grande massivas francamente interagentes).


Neutrinos - partículas subatômicas que se movem com velocidades próximas a da luz, mas possuem pouca massa. Essas partículas provavelmente formam pouca matéria escura dentro das galáxias, pois movimentam-se com tanta rapidez que conseguem escapar da força gravitacional da galáxia. Entretanto, podem constituir alguma matéria escura entre as galáxias. Por isso, duvida-se que elas formem muita matéria escura.

Novas partículas subatômicas - poderia haver muitas dessas partículas propostas. Muitas originam-se da teoria da supersimetria, que dobra o número de partículas do modelo padrão (veja ­Como funcionam os aceleradores de partículas). Elas se movem com uma certa lentidão e são relativamente frias (isto é, não detectáveis pelos telescópios de infravermelho e raio X). Os físicos especialistas em partículas estão tentando encontrar evidências de que essas partículas teóricas expliquem a matéria escura.
Neutralinos (neutrinos "massivos") - partículas hipotéticas semelhantes aos neutrinos, mas mais pesadas e lentas. Embora não tenham sido descobertas, são o principal candidato para a matéria escura extraordinária.
 
Áxions - pequenas partículas neutras e de pouca massa (menos de um milionésimo da massa de um elétron)
 
Fotino - semelhante aos fótons, mas com massa de 10 a 100 vezes maior que a de um próton. Os fotinos são neutros e interagem de forma fraca com a massa.
 
Os cientistas estimam que a matéria comum pode construir até 20% da matéria escura do universo.

Detecção da matéria escura
 
O problema da matéria escura surgiu quando os astrônomos começaram a estudar as galáxias, como a nossa Via Láctea. Se olharmos a estrutura da galáxia como apareceria do lado de fora, a maioria das 100 bilhões de estrelas ou mais da Via Láctea estaria situada no disco galáctico. A maioria das estrelas está concentrada próxima do centro do disco, ao redor do núcleo e do bojo galáctico. Acima e abaixo do plano do disco estão algumas centenas de aglomerados globulares espalhados e uma grande região redonda e pouco luminosa chamada de halo.

Ao estudarem a Via Láctea, os astrônomos queriam medir as massas e suas distribuições dentro da galáxia e dos agrupamentos de estrelas. Mas você simplesmente não consegue pesar algo do tamanho de uma galáxia - você precisa encontrar sua massa por outros métodos. Um deles é medir a intensidade da luz, ou a luminosidade. A luminosidade está relacionada à massa de uma estrela (quanto mais luminosa, mais massa - veja Como funcionam as estrelas). A partir das medidas da luminosidade, sabemos que há cerca de 15 bilhões de luminosidades solares (equivalentes em massas solares) entre a órbita do sol e o centro da Via Láctea.
Outro caminho para medir a massa galáctica é pela rotação do disco galáctico. Imagine que a galáxia está girando, como um CD ou um carrossel, e que você está olhando para ela da beirada. Dentro da galáxia, as estrelas estão a diferentes distâncias do centro. Algumas dessas estrelas estão se distanciando de nós, enquanto outras, aproximando-se. Podemos estimar a direção e a velocidade com que as estrelas estão se movendo, para isso medimos a luz que sai delas usando o efeito Doppler. Podemos colocar em um gráfico a velocidade das estrelas a diferentes distâncias do centro da galáxia para obter a curva de rotação galáctica.

Efeito Doppler

Assim como o som alto de uma sirene de caminhão de bombeiros, que vai diminuindo à medida que o caminhão se distancia, o movimento das estrelas afeta os comprimentos de onda da luz que recebemos delas. Esse fenômeno é chamado de efeito Doppler.

Podemos calcular o efeito Doppler medindo as linhas no espectro de uma estrela (veja Como funciona a luz e Como funcionam as estrelas) e as comparando ao espectro de uma lâmpada padrão. A quantidade do deslocamento Doppler nos diz a velocidade com que a estrela está se movendo em relação a nós. Além disso, a direção do deslocamento Doppler pode informar a direção do movimento da estrela. Se o espectro de uma estrela mudou para a extremidade azul, a estrela está se aproximando de nós; se mudou para a extremidade vermelha, então a estrela está se distanciando.
A curva da rotação mostra a distribuição da massa dentro da galáxia. Se a galáxia for como nosso Sistema Solar, em que a massa concentra-se no centro, a força da gravidade será maior próximo ao centro (a força da gravidade diminui com a distância). Por esse motivo, os objetos próximos ao centro orbitam com mais rapidez do que os que estão mais distantes, semelhante a um patinador de gelo, que gira mais rápido quando seus braços estão encolhidos ou próximos do seu centro. Dessa forma, esperaríamos que as estrelas próximas ao centro galáctico tivessem velocidades de rotação (velocidades angulares) maiores do que as mais distantes, e que a curva de rotação galáctica diminuísse exponencialmente como uma função da distância.

 

 


Conheça os Cursos On-Line
Portal do Conhecimento