O que são a Matéria e a Energia Escuras?

O Universo, sem dúvidas, é cheio de mistérios, mas um dos fatos mais impressionantes sobre ele é sugerido pelos cientistas há algumas décadas para explicar certos eventos no cosmo que desafiam as leis atuais da física: Matéria e Energia escuras. O que são essas duas ´entidades´ e como sabemos da sua existência?

Já de início é importante dizer que, apesar de ser quase um consenso hoje na comunidade científica de que essas entidades existem, alguns cientistas ainda acham que modificações especiais nas leis que governam a física podem explicar certas anomalias no Cosmo atribuídas a elas, especialmente em relação à Matéria Escura. Mas como essas opiniões contrárias são ínfimas, é quase certo dizer que a energia e matéria escuras são reais e parte mais do que essenciais do Universo. Bem, mas como foi que esses conceitos emergiram? Para entendermos a questão é preciso analisar esses termos separadamente.

Nossa galáxia, a Via Láctea, e a nossa localização dentro dela ( seta indicativa); a partir do centro da Via Láctea, a massa visível diminui consideravelmente

  Como todos sabem, o Universo é dividido em galáxias, as quais abrigam diversos sistemas de estrelas, planetas e diversos outras formações espaciais. Essas galáxias possuem movimento de rotação e de translação, podendo estar bem isoladas uma das outras ou em grupos relativamente próximos. Quando isoladas, a rotação observada é relativa à distribuição da sua massa pelo seu raio. Se fôssemos considerar a massa observável nessas galáxias, ou seja, a massa normal que conhecemos e que emite radiação eletromagnética ( ou interage com esta), veríamos sua velocidade diminuindo à medida que seu raio aumentasse, já que a massa visível ( e supostamente a única lá) está também diminuindo. Só que, surpreendentemente, à medida que o raio aumenta, a velocidade aumenta, indicando que existe uma gigantesca quantidade de massa aumentando ao longo do raio da galáxia! Nossa galáxia, por exemplo, a Via Láctea ( imagem acima), é um exemplo claro disso. Quando vamos nos afastando do seu centro, a matéria visível diminui drasticamente. Além da órbita do nosso Sol, existe muito pouca massa observável. Porém, ela segue o mesmo padrão de aumento de velocidade com o raio, indicando que algo muito grande produzindo efeitos gravitacionais está presente ali. Esse ´algo´ seria nossa famosa Matéria Escura.

O nome ´Matéria Escura´ veio do fato de que, apesar dela apresentar efeitos gravitacionais, ela não interage ou emite radiação eletromagnética ( luz visível, infravermelho, raios X, etc.). Assim, é muito difícil detectarmos ela, e só podemos inferir sua presença através dessas observações anômalas no comportamento das galáxias. Falando nisso, temos outro comportamento muito estranho quando observamos grupos de galáxias ( ´galaxy clusters´ e ´galaxy groups´), as quais são galáxias que permanecem relativamente próximas devido ao efeito gravitacional de atração entre elas. Na verdade, a maioria das galáxias no Universo são deste tipo, com grupos formados por 10, centenas ou milhares delas. Porém, a velocidade na qual as galáxias estão dentro desses grupos ( entre 800 e 1000 km/s) em relação umas às outras é alta demais para mantê-las unidas. Novamente, o ´algo´ precisa estar ali no meio delas para mantê-las juntas, ou seja, a matéria escura. O efeito gravitacional faltante para manter estável esses grupos de galáxia é tão alto que algo entre 85 e 95% da massa desses sistemas precisa vir de matéria escura!

Agora, fica a pergunta: o que seria a matéria escura? Bem, achar a resposta para essa pergunta é um dos grandes desafios da astronomia moderna. Será, por exemplo, que essa matéria é apenas uma matéria normal, mas ´fria´? Se esse for o caso, existem quatro suposições principais, mas todas com problemas graves demais para serem reais:

1. Estrelas de Nêutrons: esses corpos são formados quando estrelas bem grandes ( com massa de 10 a 29 Sóis) colapsam, dando origem a Supernovas quando as camadas exteriores são expulsas. Depois desse processo, sobra um núcleo composto só de nêutrons ( aquelas partículas sem carga elétrica presente no núcleo de átomos). São um dos corpos mais densos do Universo, podendo possuir a massa de dois do nosso Sol presa em um raio de apenas 11 km. Em outras palavras, se pudéssemos encher uma caixa de fósforo do material dessa estrela, teríamos uma massa final ali de algo em torno de 13 milhões de toneladas! Essas estrelas são quase impossíveis de serem detectadas, por não emitirem mais radiação eletromagnética mensurável por nossa atual tecnologia, exceto quando elas estão em um sistema binária ou outras situações especiais. Bem, se tivéssemos muitas dessas estrelas espalhadas pelo Universo, elas seriam boas candidatas para serem a misteriosa matéria escura. Só que o Universo é muito jovem para ter muitas delas ( formação de uma leva bastante tempo). Aqui na Via Láctea, por exemplo, é estimado que "apenas" 100 milhões delas existem, algo ínfimo para sequer arranhar na quantidade de matéria escura prevista aqui.  

2. Anãs Negras: se a massa de uma estrela não é grande o suficiente para se transformar em uma estrela de nêutrons quando ela colapsar após seu combustível primário de fusão nuclear acabar ( hidrogênio), ela pode ser tornar uma Anã Branca. Estas são luminosas, mas não por causa de fusão nuclear, mas sim por causa da imensa quantidade de calor acumulado no núcleo pelas partículas elementares dos átomos ali presentes ( elétrons, nêutrons e prótons), as quais estão todas soltas, criando um meio condutor de calor quase perfeito. Esse calor começa então a ser irradiado na forma de radiação eletromagnética e, à medida que a energia vai diminuindo e a Anã Branca vai esfriando, os comprimentos de onda vão ficando cada vez maiores ( menor frequência, menor energia), até que radiação alguma seja emitida, originando as Anãs Negras. Essas últimas, assim como a matéria escura, só conseguiriam ser observadas por nós através da sua interação gravitacional. Só que o problema é que o tempo para as Anãs Brancas se resfriarem até atingir esse estágio é milhares de vezes maior do que a idade do Universo, ou seja, provavelmente ainda não existem Anãs Negras no cosmo, apenas na teoria.

3. Buracos Negros: se a massa da estrela colapsada é muito grande, então ao invés de termos uma Estrela de Nêutrons, teremos a formação do corpo mais denso do Universo, o qual possui uma força gravitacional tão absurda em sua superfície que nem ao menos a luz consegue escapar. Ou seja, assim como a matéria escura, eles não emitem radiação por conta própria e, no geral, só podem ser vistos de maneira indireta pelos seus efeitos gravitacionais ( apesar de alguns terem disco de acreção de matéria muito luminosos que emitem raios X). De qualquer forma, mesmo os buracos negros que não podem ser detectados por observação direta, também caem no mesmo problema das Estrelas de Nêutron: são eventos muito raros no Universo. Para explicar toda a matéria escura, precisaríamos que mais de 90% das estrelas se transformassem em buracos negros, algo totalmente fora da realidade.

4. Anãs Marrons: essas estrelas possuem massas muito diminutas e, portanto, são incapazes de fundir hidrogênio para forma hélio ( e, consequentemente, energia), no máximo o isótopo 7 do lítio e o isótopo deutério do hidrogênio, presentes em ínfima quantidade dentro delas, caso sejam massivas acima da média. Por isso, a maior parte delas não conseguem emitir significativas quantidades de radiação eletromagnética para serem detectadas. Porém, para contarem como matéria escura, deveriam estar em grande abundância por todos os lados, mas não vemos nada próximo disso.

5. Planetas e rochas: ora, planetas e rochas ( meteroides, asteroides, etc.) não emitem radiação por conta própria e caso quantidades imensas desses corpos estivessem vagando pelo Universo, longe da iluminação de estrelas, seria difícil detectarmos os mesmos, já que é complicado vermos até planetas circundando estrelas muito longe do nosso Sistema Solar. Porém, assim como as Anãs Marrons, não conseguimos detectar essa imensa quantidade de planetas e rochas ao nosso redor, algo que deveria se muito fácil de se observar quando consideramos a quantidade de corpos desse tipo necessária para fazer o papel da matéria escura.  

Bem, analisando as opções acima, é muito pouco provável que a matéria escura seja formada por matéria normal. Assim, é bem mais plausível considerar que esse tipo de matéria é formada por partículas ou entidades físicas totalmente novas ou especiais. Neutrinos são os únicos já observados na prática que podem ser candidatos na constituição da matéria escura, especialmente da Matéria Escura Quente (1). Os neutrinos possuem muito pouca massa ( quase considerada como zero) e interagem apenas por forças Fraca (2) e gravitacional. Mas como possuem massa ridícula e não parecem estar em quantidade suficiente para preencher o papel de Matéria Escura, é possível que neutrinos mais massivos ( já detectados também) cumpram esse papel. Só que a massa individual continuaria pequena e a quantidade requerida deles durante o Big Bang não são possíveis de serem obtidas sem "estragar" a estrutura do atual Universo. Pode ser também que parte da Matéria Escura seja formada por partículas exóticas e uma parte menor seja formada por matéria normal ( buracos negros, estrelas de nêutrons, etc.). Nesse mar de suposições, é válido também dizer que a minoria dos teóricos que não acreditam na existência de matéria escura dizem que estas seriam apenas uma ilusão criada pelo comportamento diferenciado da gravidade em sistemas de massas muito grandes, como as galáxias. Ou seja, em menor escala, como o nosso Sistema Solar, as leis da gravitação funcionam como na teoria. Só que em monstros massivos, como as galáxias, haveria uma modificação radical nos efeitos gravitacionais esperados. É algo plausível, mas não existe evidência alguma que esse tipo de transformação gravitacional exista.

Grupo de galáxias ( ´cluster´) IDCS 1426, uma dos maiores já observados e distantes de nós 10 bilhões de anos-luz; sua massa total é algo em torno de 500 trilhões de Sóis e cálculos indicam que 90% da sua massa é composta de Matéria Escura

Mas independente do que é feito a Matéria Escura, temos um grande problema nas nossas mãos agora: a expansão do Universo. Teoricamente, essa expansão deveria estar desacelerando desde a explosão inicial do Big Bang, só que, pelo contrário, o Universo parece estar se expandindo em ritmo acelerado. Para explicar essa aceleração, a matéria visível e a matéria escura, combinadas, apenas cobririam cerca de 32% desse processo. Portanto, 68% das forças impulsionando o Universo são compostas por outra entidade, a qual recebeu o nome de Energia Escura. A natureza dessa energia é totalmente desconhecida, mas provavelmente compõem a maior parte do Cosmo. Sua distribuição seria homogênea, e permearia tudo, estando relacionada intimamente com o conteúdo do vácuo espacial (3). A energia escura não teria efeitos gravitacionais e afetaria as forças do Universo como um todo, por mecanismos ainda incompreensíveis. Diferente da matéria escura, é difícil tentar ignorar a presença dessa energia, mesmo entre os teóricos mais ´do contra´. Além da aceleração, essa energia escura poderia também explicar vários outros processos que ocorrem ao nosso redor, como as transmissões de força gravitacional e elétrica ( atrativas), algo ainda pouco compreendido.

No final, então, temos que próximo de 68% do nosso Universo é composto de Energia Escura, 28% de Matéria Escura e apenas 5% é Matéria Normal ( "Normal" onde?...Melhor usar o termo ´Matéria Visível´). Se conseguirmos desvendar o mistério por trás desse Cosmo escondido, poderemos quebrar todas as fronteiras que nos impedem de explorar as infinitas galáxias e sistemas ao nosso redor. Se raças alienígenas chegarem ao nosso encontro, pode ter certeza que elas terão domínio de tais segredos. Se avançamos tanto conhecendo muito pouco do Universo visível, imagina quando passarmos a entender a parte que realmente parece importar!  Por enquanto ainda estamos no esquema ´Sei que nada sei´...:)

(1) A Matéria Escura é formada, teoricamente, pela Matéria Escura Quente e a Matéria Escura Fria. A primeira possui partículas trafegando a velocidades muito próximas da luz e conta por algo em torno de 30% da Matéria Escura total. A segunda representaria o resto, e seria composta por partículas pesadas e mais lentas.

(2) Existem quatro forças fundamentais no Universo: a Força Fraca, a Força Forte, a Gravitacional e a Eletromagnética. As duas últimas todos devem conhecer. A Força Fraca é a responsável pelo decaimento radioativo alfa e beta - artigo relacionado abaixo. A Força Forte é a responsável por manter, por exemplo, o núcleo atômico coeso, sem a qual os prótons não conseguiriam ficar presos no núcleo, mesmo com a presença dos nêutrons. Outros sistemas de partículas são mantidas unidas pela força forte, como os quarks que formam os nêutrons e prótons. Essa força é aproximadamente 137 mais intensa do que o eletromagnetismo, 1 milhão de vezes mais intensa do que a força fraca e 10³⁸ vezes mais intensa do que a gravitacional.

(3) Quando retiramos o ar de um espaço vazio, temos um vácuo formado. Só que, ao contrário do que a maioria pensa, esse vácuo pode não ser composto apenas por ´nada´. Dentro dele podemos ter partículas e antipartículas virtuais, como já foi demonstrado em aceleradores de partículas, e ainda podemos ter energia escura também preenchendo esse espaço.

REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS

1. http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/GR/dark_matter.html
2. http://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy/
3. http://abyss.uoregon.edu/~js/cosmo/lectures/lec17.html
4. http://www.nasa.gov/mission_pages/sunearth/news/gallery/galaxy-location.html
5. http://www.spacetelescope.org/news/heic1201/
6. http://imagine.gsfc.nasa.gov/ask_astro/index.html
7. http://w.astro.berkeley.edu/~gmarcy/astro160/papers/brown_dwarfs_failed_stars.pdf
8. http://www.astronomy.ohio-state.edu/~jaj/Ast162/lectures/notesWL22.html
9. http://pdg.lbl.gov/2014/reviews/rpp2014-rev-sum-neutrino-masses.pdf 
10. http://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/images/galaxy-cluster-idcs-1426.html