Em uma nova era de ampla pesquisa de matéria escura, a polêmica ideia de sua concentração em discos finos está saindo do esquecimento científico
Em 1932, o astrônomo holandês Jan Oort contou estrelas na Via Láctea e descobriu que elas estavam faltando. Com base no fato de que as estrelas, movendo-se em círculo no plano da galáxia, saltam para cima e para baixo como cavalos em um carrossel, Oort calculou que a matéria que exerce um efeito gravitacional sobre elas e as coloca em movimento deveria ser o dobro do que viu … Oort postulou que a falta é compensada por uma "matéria escura" oculta e sugeriu que ela se concentrava no disco, o que explica o movimento das estrelas.
No entanto, a descoberta da matéria escura, como é chamada a matéria invisível e indeterminada, que perfaz cinco sextos da massa do universo, costuma ser atribuída ao astrônomo suíço-americano Fritz Zwicky, que em 1933 derivou sua existência dos movimentos mútuos das galáxias. Oort não era muito conhecido porque estava no caminho errado. Em 2000, os autores de novos estudos da Via Láctea, usando o método de Oort, determinaram que a massa "ausente" estava contida em estrelas fracas, gás e poeira, e a necessidade de um disco escuro não era mais necessária. Sugestões de 80 anos atrás indicam que a matéria escura, seja ela qual for, forma nuvens esféricas ao redor das galáxias, chamadas de "halos".
Bem, pelo menos é o que a maioria dos caçadores de matéria escura dizem. Mas embora o conceito do disco escuro tenha perdido sua popularidade, ele nunca foi abandonado inteiramente. Mais recentemente, a ideia encontrou um grande fã de Lisa Randall, professora de física da Universidade de Harvard, que tirou a teoria do disco do esquecimento científico e a empurrou para o centro da cena galáctica.
Tendo proposto seu modelo em 2013, Randall e seus colegas argumentaram que o disco escuro poderia explicar os raios gama do centro galáctico, a distribuição plana de galáxias anãs em órbita em torno da nebulosa de Andrômeda e da Via Láctea, e até mesmo ocorrências periódicas de cometas e extinções em massa. espécies na Terra. Ela escreveu sobre isso em seu popular livro de ciências, Dark Matter and the Dinosaurs, publicado em 2015.
No entanto, os astrofísicos que inventaram a Via Láctea protestaram, argumentando que a massa total da galáxia e os saltos de suas estrelas combinam muito bem, não deixando espaço para um disco escuro. "É muito mais apertado do que Lisa Randall pensa", disse o astrofísico da Universidade de Toronto Jo Bovy.
Agora Randall, que desenvolveu uma série de grandes ideias sobre questões críticas da física fundamental, está contra-atacando. Em um artigo postado online na semana passada e aceito para publicação no The Astrophysical Journal, Randall e seu aluno Eric Kramer encontraram uma lacuna em forma de disco em sua análise da Via Láctea: “Há um detalhe importante que ainda temos não prestei atenção ainda, eles escrevem. "O disco pode criar espaço para si mesmo."
Se um disco escuro passar pelo "plano médio" da galáxia, argumentam Randall e Kramer, a gravidade puxa o resto da matéria para dentro, levando a um aumento na densidade de estrelas, gás e poeira no plano médio. Os cientistas geralmente calculam a massa aparente total da Via Láctea extrapolando para fora com base na densidade do plano médio. Se houver um efeito constritor, essa extrapolação levará a um exagero da massa aparente, e então haverá a sensação de que a massa corresponde ao movimento das estrelas. Por esse motivo, os autores de estudos anteriores não viram evidências de um disco escuro, diz Kramer. Junto com Randall, eles acreditam que um disco fino e escuro é possível e que, em alguns aspectos, sua presença é preferível à sua ausência.
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“O trabalho de Lisa revitalizou este negócio”, diz Chris Flynn, da Swinburne University of Technology em Melbourne, Austrália. Ele, junto com Johan Holmberg (Johan Holmberg) no início dos anos 2000, realizou vários "inventários" da Via Láctea, que pareciam destruir completamente todas as possibilidades para a existência de um disco escuro.
Bowie discorda. Mesmo se levarmos em conta o efeito constritor, de acordo com sua estimativa, não mais do que 2% da quantidade total de matéria escura pode estar no disco escuro, enquanto o resto da matéria deve formar um halo. “Acho que a maioria das pessoas quer descobrir o que é 98% da matéria escura, não 2%”, diz ele.
Este debate, como o destino do disco escuro, pode ser resolvido em breve. O satélite Gaia da Agência Espacial Européia está atualmente telescopando as posições e velocidades de um bilhão de estrelas, e um registro definitivo da Via Láctea poderá ser concluído até o final do próximo verão.
Jovem aglomerado de galáxias Abell 2151 na constelação de Hércules
ESO / INAF-VST / OmegaCAM / A. Fujii / Digitized Sky Survey 2
Abrir um disco escuro de qualquer tamanho seria extremamente revelador. Se existir, a matéria escura se revelará muito mais complexa do que os cientistas há muito acreditavam. A matéria se reúne em forma de disco apenas se tiver a capacidade de emitir energia, e a melhor maneira de emitir energia suficiente é formando átomos. A existência de átomos escuros significaria que prótons e elétrons escuros, carregados como prótons e elétrons visíveis, interagem uns com os outros por meio da força escura transmitida pelos fótons escuros. Mesmo que 98% da matéria escura seja inerte e forma um halo, a existência do disco escuro mais fino significaria a presença de um "setor escuro" de partículas desconhecidas, tão diversas quanto o Universo visível.
“A matéria comum é bastante complexa; há matéria que desempenha um papel nos átomos, e há matéria que não desempenha, diz o astrofísico da Universidade da Califórnia em Irvine, James Bullock. "Portanto, não seria louco imaginar que os outros cinco sextos da matéria no Universo também são bastante complexos e que há uma certa parte deste setor escuro que existe na forma de átomos ligados."
O conceito de complexidade da matéria escura encontrou recentemente mais e mais sustentadores, ajudados por anomalias astrofísicas, que realmente não se encaixam com a ideia de matéria escura como passiva, lenta e "partículas massivas de interação fraca". Essas anomalias, bem como o fato de que no decorrer de experimentos detalhados em diferentes países do mundo, tais partículas pesadas fracamente interagindo (WIMPs) nunca foram detectadas, enfraqueceram essa teoria e marcaram o início de uma nova era na qual qualquer um pode especular que é para tal besta - matéria escura.
Essa era chegou em 2008, quando os participantes do experimento PAMELA descobriram um excesso de pósitrons vindos do espaço (em comparação com os elétrons). Essa assimetria alimentou o interesse no agora popular modelo de "matéria escura assimétrica" proposto por Kathryn Zurek e seus colegas. Havia poucas ideias em circulação na época, além do conceito de fracos. “Houve modeladores como eu que entenderam que a ideia da matéria escura era completamente subdesenvolvida nessa direção”, diz Tsurek, que agora trabalha no Laboratório Nacional. Lawrence Berkeley na Califórnia. “Por isso, mergulhamos de cabeça neste trabalho.”
A densidade de galáxias anãs foi outro estímulo. Quando os cientistas tentam simular sua formação, as galáxias anãs tendem a ser muito densas em seus centros, a menos que os cientistas presumam que as partículas de matéria escura podem interagir umas com as outras usando forças escuras. Mas se adicionarmos uma interação muito forte aqui, destruiremos os modelos de formação de estrutura no Universo inicial.
“Estamos tentando descobrir o que pode ser tolerado”, diz Bullock, que também projeta esses modelos. A maioria dos modeladores permite interações fracas que não afetam a forma do halo de matéria escura. “Mas o que é notável é que existe uma classe de matéria escura que permite que os discos se formem”, diz Bullock. Nesse caso, apenas uma pequena fração das partículas de matéria escura interagirá, mas elas interagirão com força suficiente para dissipar energia e, então, formar discos.
Randall e seus colegas JiJi Fan, Andrey Katz e Matthew Reece em 2013 tiveram essa ideia da mesma forma que Oort. Eles tentaram explicar a aparente anomalia da Via Láctea. A chamada linha de Fermi é um excesso de raios gama de certa frequência vindos do centro galáctico. "A matéria escura comum não poderia destruir o suficiente para produzir a linha Fermi", diz Randall, "e então pensamos, e se for muito mais densa?" Assim, o disco escuro ganhou uma segunda vida. A linha Fermi desapareceu à medida que mais dados surgiram, mas a ideia do disco ainda valia a pena explorar. Em 2014, Randall e Rees sugeriram que é precisamente por causa do disco que existem intervalos de 30-35 milhões de anos entre o aumento da atividade de cometas e meteoros.que alguns cientistas associam com extinções em massa periódicas. Cada vez que o sistema solar sobe ou desce no carrossel da Via Láctea, eles argumentam, o efeito gravitacional do disco pode desestabilizar asteróides e cometas na nuvem de Oort, uma lixeira nos arredores de nosso sistema solar que leva o nome de um astrônomo holandês. Esses objetos voam em direção à parte interna do sistema solar e alguns caem na Terra.
Mas Randall e sua equipe fizeram apenas uma análise superficial e, como se revelou, uma análise incorreta de quanto espaço na massa total da Via Láctea resta para o disco escuro, a julgar pelo movimento das estrelas. “Eles fizeram algumas declarações ultrajantes”, disse Bovey.
Randall, conhecida entre seus colegas por sua tenacidade (de acordo com Rees), trouxe Kramer para o caso para responder às críticas e “resolver todas as rugas” na análise antes que os dados de Gaia estivessem disponíveis. Uma nova análise mostrou que, uma vez que um disco escuro existisse, ele não poderia ser tão denso quanto sua equipe inicialmente acreditava. Mas ainda havia espaço para um disco fino e escuro, devido ao seu efeito constritor e à incerteza adicional causada pela pura deriva das estrelas na Via Láctea sendo observada.
Chris McKee e colegas da Universidade da Califórnia em Berkeley identificaram um novo problema, sobre o qual escreveram no The Astrophysical Journal. McKee acha que um disco fino e escuro ainda pode se espremer no armazenamento em massa da Via Láctea. Mas este disco pode ser tão fino que simplesmente desmorona. Citando pesquisas das décadas de 1960 e 1970, McKee e seus colegas escreveram que os discos não podem ser muito mais finos do que o disco de gás visível na Via Láctea, pois eles entrariam em colapso. "Talvez a matéria escura tenha propriedades que são diferentes das propriedades da matéria comum e evitam isso, mas eu não sei o que poderia ser," - disse McKee.
Randall ainda tem que se defender deste último ataque, chamando-o de "uma questão complicada atualmente em estudo". Ela também concordou com a opinião expressa por Bowie - que o disco de átomos escuros carregados é insignificante em comparação com a natureza de 98% da matéria escura. Ela agora está explorando a possibilidade de que toda a matéria escura pode ser carregada com uma única força escura, mas por causa do excesso de prótons escuros sobre elétrons escuros, apenas uma pequena fração é ligada aos átomos e levada para o disco. Nesse caso, o disco e o halo devem ser compostos dos mesmos elementos, “o que seria mais econômico”, diz ela. "Achamos que poderia ser descartado, mas não funcionou."
Até agora, o disco escuro continua vivo - como um símbolo de tudo o que é desconhecido sobre o lado escuro do universo. “Acho que é muito, muito útil nessa área que pessoas diferentes estejam olhando para ideias diferentes”, diz Bullock. "Porque não temos ideia do que seja - matéria escura, e devemos estar preparados para uma variedade de opções."
