Os termos energia escura e matéria escura não são totalmente bem-sucedidos e representam uma tradução literal, mas não semântica, do inglês. No sentido físico, esses termos significam apenas que essas substâncias não interagem com os fótons e também poderiam ser chamadas de matéria e energia invisíveis ou transparentes.
A matéria escura na astronomia e cosmologia, bem como na física teórica, é uma forma hipotética de matéria que não emite ou interage com a radiação eletromagnética. Esta propriedade desta forma de matéria torna impossível sua observação direta.
A conclusão sobre a existência de matéria escura é feita com base em numerosos, consistentes uns com os outros, mas sinais indiretos do comportamento dos objetos astrofísicos e dos efeitos gravitacionais que eles criam. A descoberta da natureza da matéria escura ajudará a resolver o problema da massa oculta, que, em particular, reside na velocidade anormalmente alta de rotação das regiões externas das galáxias.
Vamos descobrir mais sobre tudo isso …
A matéria escura e a energia escura não são visíveis a olho nu, mas sua presença foi comprovada por meio de observações do universo. Há bilhões de anos, nosso universo nasceu após um Big Bang catastrófico. À medida que o universo primitivo esfriava lentamente, a vida começou a se desenvolver nele. Como resultado, estrelas, galáxias e outras partes visíveis dela foram formadas. O tamanho do nosso universo é simplesmente impressionante. Por exemplo, um Sol é suficiente para iluminar e aquecer um milhão de planetas como a Terra. Nesse caso, o Sol é uma estrela de tamanho médio e nossa galáxia sozinha consiste de 100 bilhões de estrelas. Esse número supera o número de grãos de areia em uma pequena praia. Entretanto, isso não é tudo.
Como você sabe, o Universo consiste em vários bilhões de galáxias, onde existe uma variedade de matéria. É possível que algum desses assuntos fosse invisível a olho nu. Muito provavelmente, já que os resultados de estudos recentes mostraram que podemos ver apenas um décimo do universo. Isso significa que mais de 90% da matéria simplesmente não pode ser examinada por uma pessoa, mesmo com o uso de equipamento especial. Os astrônomos chamam essa matéria de escuridão.
Sabe-se que a matéria escura interage com o "luminoso" (bariônico), pelo menos de forma gravitacional, e é um meio com densidade cosmológica média, várias vezes superior à densidade dos bárions. Os últimos são capturados nas fossas gravitacionais das concentrações de matéria escura. Portanto, embora as partículas de matéria escura não interajam com a luz, a luz é emitida de onde há matéria escura. Essa propriedade notável de instabilidade gravitacional tornou possível estudar a quantidade, o estado e a distribuição da matéria escura a partir de dados observacionais desde o alcance do rádio até os raios-X.
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Publicado em 2012, um estudo do movimento de mais de 400 estrelas localizadas a distâncias de até 13.000 anos-luz do Sol não encontrou evidências da presença de matéria escura em um grande volume de espaço ao redor do Sol. De acordo com as previsões das teorias, a quantidade média de matéria escura nas proximidades do Sol deveria ser de cerca de 0,5 kg no volume da Terra. No entanto, as medições deram um valor de 0,00 ± 0,06 kg de matéria escura neste volume. Isso significa que as tentativas de registrar matéria escura na Terra, por exemplo, com raras interações de partículas de matéria escura com matéria "comum", dificilmente terão sucesso.
De acordo com as observações do Planck Space Observatory publicadas em março de 2013, interpretadas levando em consideração o modelo cosmológico padrão Lambda-CDM, a massa-energia total do Universo observado é 4,9% da matéria ordinária (bariônica), 26,8% da escuridão matéria e 68,3% de energia escura. Assim, o universo é 95,1% composto de matéria escura e energia escura.
A prova da existência da matéria escura é o seu peso - a força da gravidade, que, como a cola, mantém a integridade do Universo. Todas as partes do universo se atraem mutuamente. Graças a isso, os cientistas foram capazes de calcular a massa total do Universo visível, bem como indicadores de forças gravitacionais. No decorrer dos cálculos, foi revelado um desequilíbrio significativo nestes parâmetros, o que deu motivos para crer que existe alguma matéria invisível que tem uma determinada massa e também está sujeita à gravidade.
O estudo da matéria escura Além disso, a evidência da existência da matéria escura foi sua influência gravitacional sobre outros objetos, incluindo a trajetória de movimento de estrelas e galáxias. Muitas galáxias rodam mais rápido do que o esperado. De acordo com a teoria da gravidade de A. Einstein, eles deveriam voar em direções diferentes. No entanto, algo invisível parece mantê-los juntos.
Além disso, a matéria escura pode afetar o caminho de propagação da luz. Foi investigado o fenômeno das lentes gravitacionais, que consiste no fato de objetos densos serem capazes de refletir a luz de objetos distantes, alterando a trajetória dos fluxos de luz. Isso leva à distorção da imagem e ao aparecimento de miragens de estrelas e galáxias. Os cientistas registram essas curvas de luz, mas não conseguem identificar a natureza desse fenômeno.
A matéria escura em nosso universo pode existir na forma de objetos halo astronômicos massivos (MAGOs). Isso inclui planetas, luas, anãs marrons e brancas, nuvens de poeira, estrelas de nêutrons e buracos negros. Via de regra, eles são pequenos demais para que sua luz seja detectada por humanos, no entanto, sua existência pode ser calculada por meio do efeito gravitacional nos fluxos de luz. Nos últimos anos, os astrônomos descobriram vários tipos de objetos MAGO. Eles podem consistir em partículas bariônicas comuns e axinas, neutrinas, wimpils e matéria escura supersimétrica.
Pesquisa sobre matéria escura e energia escura
À medida que o interesse pela matéria escura continua a crescer, novas ferramentas estão surgindo para ajudar a obter percepções mais amplas sobre este fenômeno misterioso. Por exemplo, o Telescópio Espacial Hubble forneceu informações muito valiosas sobre o tamanho e a massa do universo visível. Esses dados foram o primeiro e muito importante passo para o estudo da verdadeira quantidade de matéria escura no universo.
É importante entender que a estrutura do Universo não é aleatória e, com a ajuda do Hubble, você pode representar sua estrutura em detalhes. É sabido com certeza que as galáxias estão localizadas em aglomerados, e esses aglomerados estão em superaglomerados. Superaglomerados de corpos cósmicos estão localizados em uma estrutura esponjosa com vazios extensos. Obviamente, a formação de tal estrutura se deve a razões muito específicas. Os telescópios de raios-X do Observatório Chandra estão ajudando a estudar as enormes nuvens de gás quente nesses aglomerados. Os cientistas descobriram que a matéria escura também deve estar presente nessas áreas, caso contrário, o gás escapará do aglomerado. Além disso, novas ferramentas estão sendo desenvolvidas que, no final, ajudarão a discernir esse lado escuro do universo.
Abordagens e métodos para estudar partículas de matéria escura
No momento, cientistas de todo o mundo estão tentando de todas as maneiras possíveis descobrir ou obter artificialmente partículas de matéria escura em condições terrestres, usando equipamentos supertecnológicos especialmente projetados e muitos métodos de pesquisa diferentes, mas até agora todos os trabalhos não foram coroados de sucesso.
Do que o universo é feito
Um dos métodos envolve a realização de experimentos em aceleradores de alta energia, comumente conhecidos como aceleradores. Os cientistas, acreditando que as partículas de matéria escura são 100-1000 vezes mais pesadas que um próton, presumem que terão de ser geradas na colisão de partículas comuns aceleradas a altas energias por um colisor. A essência de outro método é registrar partículas de matéria escura que estão ao nosso redor. A principal dificuldade em registrar essas partículas é que elas exibem uma interação muito fraca com as partículas comuns, que são inerentemente transparentes para elas. E ainda, partículas de matéria escura muito raramente, mas colidem com núcleos atômicos, e há uma certa esperança, mais cedo ou mais tarde, de registrar esse fenômeno.
Existem outras abordagens e métodos para estudar as partículas de matéria escura, e qual delas levará ao sucesso primeiro, só o tempo dirá, mas em qualquer caso, a descoberta dessas novas partículas será uma grande conquista científica.
Substância anti-gravidade
A energia escura é uma substância ainda mais incomum do que a mesma matéria escura. Não tem a capacidade de se agrupar em aglomerados, como resultado, é distribuído de maneira uniforme e absoluta por todo o Universo. Mas sua propriedade mais incomum no momento é a anti-gravidade.
Graças aos métodos astronômicos modernos, é possível determinar a taxa de expansão do Universo na atualidade e simular o processo de sua mudança mais cedo. Como resultado, obteve-se a informação de que neste momento, assim como no passado recente, nosso Universo está se expandindo, enquanto o ritmo desse processo está em constante aumento. É por isso que surgiu a hipótese sobre a antigravidade da energia escura, já que a atração gravitacional usual teria um efeito retardador sobre o processo de "recessão das galáxias", restringindo o ritmo de expansão do Universo. Este fenômeno não contradiz a teoria geral da relatividade, mas ao mesmo tempo, a energia escura deve ter pressão negativa - uma propriedade que nenhuma das substâncias atualmente conhecidas possui.
Candidatos ao papel de "Dark Energy"
A massa das galáxias no aglomerado Abel 2744 é inferior a 5 por cento de sua massa total. Este gás é tão quente que só brilha na faixa dos raios X (vermelho nesta imagem). A distribuição da matéria escura invisível (constituindo cerca de 75 por cento da massa deste aglomerado) é de cor azul.
Um dos supostos candidatos para o papel da energia escura é o vácuo, cuja densidade de energia permanece inalterada durante a expansão do Universo e, assim, confirma a pressão negativa do vácuo. Outro candidato putativo é "quintessência" - um campo superfraco anteriormente inexplorado que supostamente passa por todo o universo. Existem também outros candidatos possíveis, mas nenhum deles no momento contribuiu para obter uma resposta precisa à pergunta: o que é energia escura? Mas já está claro que a energia escura é algo completamente sobrenatural, permanecendo o principal mistério da física fundamental do século XXI.
