Tudo o que já observamos no Universo, da matéria à radiação, pode ser decomposto nos menores componentes. Tudo neste mundo consiste em átomos, que são compostos de núcleons e elétrons, e os núcleons são divididos em quarks e glúons. A luz também consiste em partículas: fótons. Mesmo as ondas gravitacionais, em teoria, são feitas de grávitons: partículas que algum dia, com sorte, encontraremos e consertaremos. Mas e quanto à matéria escura? A evidência indireta de sua existência não pode ser negada. Mas também deveria ser composto de partículas?
Estamos acostumados a pensar que a matéria escura é composta de partículas e tentamos desesperadamente detectá-las. Mas e se estivermos procurando no lugar errado?
Se a energia escura pode ser interpretada como energia inerente à própria estrutura do espaço, será que a “matéria escura” também é uma função interna do próprio espaço - próxima ou remotamente relacionada à energia escura? E que, em vez de matéria escura, os efeitos gravitacionais que podem explicar nossas observações serão mais devidos à "massa escura"?
Bem, especialmente para você, o físico Ethan Siegel apresentou nossas abordagens teóricas e cenários possíveis.
Uma das características mais interessantes do universo é a relação um-para-um entre o que está no universo e como a taxa de expansão muda ao longo do tempo. Através de muitas medições cuidadosas de muitas fontes díspares - estrelas, galáxias, supernovas, a radiação cósmica de fundo e as estruturas em grande escala do Universo - fomos capazes de medir ambos, determinando do que o Universo é feito. Basicamente, existem muitas ideias diferentes sobre em que nosso Universo pode consistir, e todas elas têm efeitos diferentes na expansão cósmica.
Graças aos dados obtidos, sabemos agora que o universo é feito do seguinte:
- 68% de energia escura, que permanece em uma densidade de energia constante mesmo com a expansão do espaço;
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- 27% da matéria escura, que exibe força gravitacional, é borrada com o aumento do volume e não se permite ser medida com nenhuma outra força conhecida;
- 4,9% da matéria comum, que manifesta todas as suas forças, se turva à medida que o volume aumenta, se aglomera em pedaços e consiste em partículas;
- 0,1% de neutrinos, que exibem interações gravitacionais e eletrofracas, são feitos de partículas e se juntam apenas quando diminuem a velocidade o suficiente para se comportar como matéria, não como radiação;
- 0,01% dos fótons, que exibem influências gravitacionais e eletromagnéticas, comportam-se como radiação e são borrados tanto com o aumento do volume quanto com o alongamento dos comprimentos de onda.
Com o tempo, esses vários componentes se tornam relativamente mais ou menos importantes, e essa porcentagem representa do que o universo é feito hoje.
A energia escura, conforme resulta de nossas melhores medições, tem as mesmas propriedades em qualquer ponto do espaço, em todas as direções do espaço e em todos os episódios de nossa história cósmica. Em outras palavras, a energia escura é homogênea e isotrópica: é a mesma em todos os lugares e sempre. Pelo que podemos dizer, a energia escura não precisa de partículas; pode facilmente ser uma propriedade inerente à estrutura do espaço.
Mas a matéria escura é fundamentalmente diferente.
Para a estrutura que vemos no Universo se formar, especialmente em uma grande escala cósmica, a matéria escura não deve apenas existir, mas também vir junto. Não pode ter a mesma densidade em todo o espaço; em vez disso, deve ser concentrado em regiões de densidade mais alta e deve ser menos denso, ou totalmente ausente, em regiões de densidade mais baixa. Na verdade, podemos dizer quanto da matéria total está em diferentes regiões do espaço, guiados por observações. Os três mais importantes são:
Espectro de energia da matéria
Mapeie a matéria no universo, veja em que escalas ela corresponde às galáxias - isto é, qual a probabilidade de você encontrar outra galáxia a uma certa distância da galáxia com a qual você começou - e estude o resultado. Se o universo consistisse em uma substância homogênea, a estrutura seria manchada. Se houvesse matéria escura no universo que não fosse coletada cedo o suficiente, a estrutura em pequena escala seria destruída. O espectro de potência da energia nos diz que aproximadamente 85% da matéria no Universo é representada por matéria escura, que é seriamente diferente de prótons, nêutrons e elétrons, e essa matéria escura nasceu fria, ou sua energia cinética é comparável à massa em repouso.
Lente gravitacional
Dê uma olhada no objeto enorme. Digamos um quasar, galáxia ou aglomerados de galáxias. Veja como a luz de fundo é distorcida pela presença de um objeto. Uma vez que entendemos as leis da gravidade regidas pela teoria da relatividade geral de Einstein, como a luz é curvada nos permite determinar quanta massa está presente em cada objeto. Por outros métodos, podemos determinar a quantidade de massa que está presente na matéria comum: estrelas, gás, poeira, buracos negros, plasma, etc. E novamente descobrimos que 85% da matéria é representada por matéria escura. Além disso, é distribuído de forma mais difusa, turva, do que a matéria comum. Isso é confirmado por lentes fracas e fortes.
Fundo cósmico de microondas
Se você olhar para o brilho restante da radiação do Big Bang, verá que é aproximadamente uniforme: 2,725 K em todas as direções. Mas se você olhar mais de perto, verá que pequenos defeitos são observados em escalas de dezenas a centenas de microkelvin. Eles nos dizem algumas coisas importantes, incluindo as densidades de energia da matéria comum, matéria escura e energia escura, mas o mais importante, eles nos dizem como o universo era homogêneo quando tinha apenas 0,003% de sua idade atual. A resposta é que a região mais densa era apenas 0,01% mais densa do que a região menos densa. Em outras palavras, a matéria escura começou em um estado homogêneo e se agrupou com o passar do tempo.
Juntando tudo, chegamos à conclusão de que a matéria escura deve se comportar como um líquido que preenche o universo. Esse fluido tem pressão e viscosidade desprezíveis, reage à pressão da radiação, não colide com fótons ou matéria comum, nasceu frio e não relativístico e se aglomera sob a influência de sua própria gravidade ao longo do tempo. Determina a formação de estruturas no Universo em escalas maiores. É altamente heterogêneo e a magnitude de sua heterogeneidade aumenta com o tempo.
Aqui está o que podemos dizer sobre isso em grande escala, no que se refere às observações. Em pequenas escalas, podemos apenas supor, não totalmente certos, que a matéria escura é composta de partículas com propriedades que a fazem se comportar dessa forma em grande escala. A razão pela qual presumimos isso é porque o universo, até onde sabemos, é feito de partículas em seu núcleo, só isso. Se você é uma substância, se você tem uma massa, um análogo quântico, então você deve inevitavelmente consistir em partículas em um certo nível. Mas, até encontrarmos essa partícula, não temos o direito de excluir outras possibilidades: por exemplo, que este é um tipo de campo líquido que não consiste em partículas, mas afeta o espaço-tempo da maneira que as partículas deveriam.
É por isso que é tão importante tentar detectar diretamente a matéria escura. É impossível confirmar ou negar o componente fundamental da matéria escura em teoria, apenas na prática, apoiada por observações. Aparentemente, a matéria escura não tem nada a ver com a energia escura.
É feito de partículas? Até que os encontremos, só podemos adivinhar. O universo se manifesta como quântico na natureza quando se trata de qualquer outra forma de matéria, então é razoável supor que a matéria escura seja a mesma.
Ilya Khel
