Dizem que existe a matéria mais escura do Universo (se falarmos da matéria em geral). E, no entanto, na vida cotidiana, praticamente não o encontramos. Sabemos que o Sol - o objeto mais massivo do sistema solar - é feito de matéria comum (prótons, nêutrons e elétrons), mas existem muitas outras fontes, incluindo planetas, gás, poeira, plasma e restos de estrelas. A matéria escura não está entre eles - e mesmo o Modelo Padrão não descreve suas partículas. Claro, a matéria escura não é a única maneira de explicar os fenômenos gravitacionais observados no Universo. Outra opção é modificar a teoria da gravidade, o que muitos já tentaram fazer. Isso deu origem à ideia da Dinâmica Newtoniana Modificada (MOND) e outras teorias, que ainda são alternativas populares para a matéria escura.
Para começar em algum lugar, precisamos voltar aos anos 1800 e falar sobre um problema que existia muito antes da “massa perdida” (ou “luz perdida”) da matéria escura e o MOND estarem tentando resolver: o problema Urano-Mercúrio. A lei da gravidade de Newton, introduzida por Newton em 1600, foi incrivelmente bem-sucedida em descrever tudo - até onde sabemos - a que se aplicava. Do movimento de projéteis a objetos rolantes; do peso dos objetos ao tique-taque de um relógio de pêndulo; da flutuabilidade de um barco à órbita da lua ao redor da Terra, a gravidade de Newton nunca falhou.
As três leis de Kepler, um caso especial da fórmula gravitacional de Newton, foram aplicadas a todos os planetas conhecidos na mesma medida:
1. Os planetas se movem em elipses com o Sol em um dos focos.
2. Cada planeta se move em um plano que passa pelo centro do Sol e, por intervalos iguais de tempo, o vetor raio que conecta o Sol e o planeta descreve áreas iguais.
3. Os quadrados dos períodos de revolução dos planetas ao redor do Sol são relacionados como cubos dos semi-eixos maiores das órbitas dos planetas.
Todos os mundos interno e externo conhecidos obedeciam a essas leis, de modo que nenhum desvio foi revelado por centenas de anos. Mas com a descoberta de Urano em 1781, algo mudou. Enquanto o último dos planetas descobertos se movia em uma elipse ao redor do Sol, ele se movia na velocidade errada em comparação com as leis da gravidade previstas.
Vídeo promocional:
Nos primeiros 20 anos desde sua inauguração, ele se moveu mais rápido, todas as noites e todos os anos, do que as leis ditavam. Nos 20-25 anos seguintes, o planeta se moveu em estrita conformidade com as leis. Mas então ele desacelerou e a velocidade caiu abaixo do previsto.
Houve um erro na lei da gravitação? Talvez. Mas também é possível que houvesse um pouco mais de matéria - algo invisível, matéria escura - que estava afetando Urano, causando distúrbios em sua órbita. Isso é mais parecido com a verdade. Após uma guerra teórica entre Urbain Le Verrier e John Coach Adams, que trabalhou de forma independente e fez previsões sobre a localização do novo planeta, as previsões de Le Verrier foram confirmadas por Johann Halle e seu assistente Heinrich d'Arre em 23 de setembro de 1846. Foi descoberto o planeta Netuno, o primeiro objeto a ser inferido a partir dos efeitos de sua massa: a influência gravitacional.
Por outro lado, o planeta interior Mercúrio - graças ao aumento da precisão das observações e combinado com dados seculares - começou a exibir uma violação ainda mais estranha das leis da gravidade. Se as leis de Kepler previam que os planetas deveriam se mover em elipses ideais com o Sol em um dos focos, então, com a condição de que não houvesse outras massas que violassem ou afetassem o sistema. Mas não há massas ao redor e Mercúrio não se move ao longo de uma elipse perfeita. Sua elipse sofre precessão com o tempo.
Usando as leis da gravidade de Newton, poderíamos levar em consideração a influência de todos os planetas conhecidos (incluindo Netuno). Feito tudo isso, descobriríamos que resta uma pequena discrepância entre o previsto e o observado: uma precessão de 43 por século, ou 0,012 graus por século. Mas isso não foi um acidente.
Qual é a explicação desta vez? Esta nova massa invisível está relacionada com o interior de Mercúrio? Ou o problema real se infiltrou na lei da gravidade? Uma busca minuciosa por uma resposta a esta pergunta levou a um novo planeta teórico Vulcano, que deveria estar mais perto do Sol do que qualquer outro. Mas nenhum Vulcano foi encontrado. A solução veio em 1915, quando Einstein esboçou sua teoria da relatividade geral.
Agora vamos pular o tempo até a década de 1970 - até uma série de observações científicas de Vera Rubin. Observamos galáxias individuais - em particular, galáxias periféricas - e medimos seus perfis de velocidade. Olhamos para um lado da galáxia e vemos que ela está se movendo em nossa direção (pelo deslocamento para o azul), olhamos para o outro - está se afastando de nós (pelo deslocamento para o vermelho), e é assim que determinamos a rotação da galáxia. O que esperamos deles? Como nosso sistema solar, as estrelas internas devem girar mais rápido e, quanto mais longe do centro, menor deve ser a velocidade. Mas não é isso que encontramos.
Em vez disso, a velocidade de rotação de cada galáxia individual permanece constante, independentemente da distância. Por quê? Novamente, há duas opções: ou as leis da gravidade precisam ser melhoradas ou devemos presumir a existência de um excesso de massa invisível.
O MOND foi notado pela primeira vez por Moti Milgrom em 1981, que observou que se mudássemos a lei da gravidade em acelerações muito baixas - algo como frações de nanômetro por segundo ao quadrado - poderíamos explicar essas curvas rotacionais. Além disso, a mesma modificação, única e consistente, poderia explicar a rotação de todas as galáxias, da menor à maior. MOND ainda faz e faz bem.
A matéria escura, por outro lado, sugere que, além das partículas normais do Modelo Padrão e da matéria comum de "prótons, nêutrons e elétrons" que constituem quase tudo que conhecemos, existe um novo tipo de matéria. Para explicar o fenômeno rotacional, foi proposto introduzir um grande halo de matéria, que não interage com a luz, mas não se junta, e não interage com a matéria comum, exceto gravitacionalmente. Essa era a ideia da matéria escura.
A matéria escura pode explicar essas curvas rotacionais, mas não faz isso tão bem quanto o MOND. Simulações numéricas para halos que produzem até mesmo os modelos de matéria escura mais simples não correspondem às observações; halos são muito "derrubados" no centro e muito "fofos" nos arredores. (Do ponto de vista técnico, eles parecem ser mais isotérmicos do que o esperado). Em suma, MOND foi o líder claro no início.
Mas aí, além disso, todo o Universo começou. Quando você propõe uma nova teoria para substituir uma antiga - como a relatividade geral substituiu as leis de Newton - sua teoria deve satisfazer três princípios:
1. Deve reproduzir o sucesso total da teoria principal anterior.
2. Deve explicar com sucesso o novo fenômeno (ou fenômenos) para o qual foi criado.
3. E ela deve fazer novas previsões que serão experimentalmente ou observacionalmente verificadas, confirmadas ou refutadas, de modo que sejam exclusivas da nova teoria.
Estamos falando sobre todos os sucessos da teoria principal anterior, e eles são numerosos.
Há curvatura gravitacional da luz das estrelas por massa, lentes gravitacionais fortes e fracas. Existe o efeito Shapiro. Há dilatação do tempo gravitacional e desvio para o vermelho gravitacional. Existe o conceito de Big Bang e o conceito de um universo em expansão. Existem movimentos de galáxias dentro de aglomerados e aglomeração das próprias galáxias nas escalas maiores.
No caso de todos esses exemplos - todos - o MOND sofre uma derrota esmagadora, seja por não oferecer previsões ou por fazer previsões que são frustrantemente inconsistentes com os dados disponíveis. Você pode apontar corretamente que o MOND nunca teve a intenção de ser uma teoria completa, mas sim uma descrição de um fenômeno que poderia levar a uma teoria mais completa. Muitas pessoas estão trabalhando em uma extensão do MOND que poderia explicar essas observações, mas sem sucesso.
Mas se você continuar a lei da gravidade de Einstein e apenas adicionar um novo ingrediente, matéria escura fria, poderá explicar tudo, incluindo algumas novas nuances incomuns.
Você pode explicar o padrão de agrupamento que é observado na estrutura em grande escala do universo se tiver cinco vezes mais matéria escura do que matéria comum.
E o que é ainda mais impressionante é que você pode fazer uma previsão completamente nova: quando dois aglomerados de galáxias colidem, o gás neles se aquece, desacelera e emite raios-X, enquanto a massa que vemos com lentes gravitacionais segue matéria escura e é substituída por raios-X. Esta nova previsão foi confirmada experimentalmente e se mantém há dez anos, fornecendo uma confirmação indireta da existência de matéria escura.
O MOND tem a vantagem de explicar as curvas de rotação galáctica melhor do que a matéria escura. Mas esta não é uma teoria física e não se encaixa no conjunto completo de observações que temos. A matéria escura existe - pelo menos em teoria - porque nos dá o mesmo universo, consistente, sem modificações.
Mas as falhas atuais do MOND, cosmológicas, colocam-no abaixo da matéria escura. Deixe-o reproduzir todos os sucessos da relatividade geral, explicar novos fenômenos, fazer previsões que podem ser confirmadas - e os cientistas, sem dúvida, se converterão a uma nova fé. Afinal, eles são bons cientistas.
