O que é matéria escura?

Hubble encontra anel de matéria escura no aglomerado de galáxias

Esta imagem composta do Telescópio Espacial Hubble mostra um 'anel' fantasmagórico de matéria escura no aglomerado de galáxias Cl 0024 + 17. (Crédito da imagem: NASA, ESA, M.J. Jee e H. Ford (Johns Hopkins University))

Aproximadamente 80% da massa do universo é composta de material que os cientistas não podem observar diretamente. Conhecido como matéria escura, esse ingrediente bizarro não emite luz ou energia. Então, por que os cientistas acham que ela domina?

Desde pelo menos a década de 1920, os astrônomos levantaram a hipótese de que o universo contém mais matéria do que pode ser visto a olho nu. O apoio à matéria escura cresceu desde então e, embora nenhuma evidência direta sólida de matéria escura tenha sido detectada, tem havido grandes possibilidades nos últimos anos.



'Os movimentos das estrelas dizem quanta matéria existe', disse Pieter van Dokkum, pesquisador da Universidade de Yale, em um demonstração . 'Eles não se importam com a forma da matéria, apenas dizem que está aí.' Van Dokkum liderou uma equipe que identificou a galáxia Dragonfly 44 , que é composto quase inteiramente de matéria escura. [Galeria de Imagens: Dark Matter Across the Universe]

O material familiar do universo, conhecido como matéria bariônica, é composto de prótons, nêutrons e elétrons. A matéria escura pode ser feita de matéria bariônica ou não bariônica. Para manter os elementos do universo juntos, a matéria escura deve constituir aproximadamente 80% por cento do universo. A matéria ausente poderia simplesmente ser mais difícil de detectar, composta de matéria bariônica regular.

Os candidatos potenciais incluem anãs marrons escuras, anãs brancas e estrelas de nêutrons. Supermassivo buracos negros também pode fazer parte da diferença. Mas esses objetos difíceis de localizar teriam que desempenhar um papel mais dominante do que os cientistas observaram para compor a massa ausente, enquanto outros elementos sugerem que a matéria escura é mais exótica.

A maioria dos cientistas pensa que a matéria escura é composta de matéria não bariônica. O candidato principal, WIMPS (partículas massivas de interação fraca), tem de dez a cem vezes a massa de um próton, mas suas interações fracas com a matéria 'normal' tornam-nos difíceis de detectar. Neutralinos, partículas hipotéticas massivas mais pesadas e mais lentas que os neutrinos, são os principais candidatos, embora ainda não tenham sido identificados.

Os neutrinos estéreis são outro candidato. Neutrinos são partículas que não constituem matéria regular. Um rio de neutrinos sai do Sol, mas como raramente interagem com a matéria normal, eles passam pela Terra e seus habitantes. Existem três tipos conhecidos de neutrinos; um quarto, o neutrino estéril , é proposto como candidato à matéria escura. O neutrino estéril só interagiria com a matéria regular por meio da gravidade.

A matéria escura parece se espalhar pelo cosmos em um padrão semelhante a uma rede, com aglomerados de galáxias se formando nos nós onde as fibras se cruzam. Ao verificar que a gravidade atua da mesma forma dentro e fora do nosso sistema solar, os pesquisadores fornecem evidências adicionais para a existência de matéria escura e energia escura.

A matéria escura parece se espalhar pelo cosmos em um padrão semelhante a uma rede, com aglomerados de galáxias se formando nos nós onde as fibras se cruzam. Ao verificar que a gravidade atua da mesma forma dentro e fora do nosso sistema solar, os pesquisadores fornecem evidências adicionais para a existência de matéria escura e energia escura.(Crédito da imagem: WGBH)

'Uma das questões pendentes é se existe um padrão para as frações que entram em cada espécie de neutrino,' Tyce DeYoung, um professor associado de física e astronomia na Michigan State University e um colaborador no Experiência IceCube , disse ao Space.com .

O axion neutro menor e os fotinos não carregados - ambos partículas teóricas - também são marcadores de posição potenciais para a matéria escura.

De acordo com um demonstração pelo Laboratório Nacional Gran Sasso na Itália (LNGS), 'Várias medições astronômicas corroboraram a existência da matéria escura, levando a um esforço mundial para observar as interações das partículas de matéria escura diretamente com a matéria comum em detectores extremamente sensíveis, o que confirmaria sua existência e lançar luz sobre suas propriedades. No entanto, essas interações são tão fracas que escaparam da detecção direta até este ponto, forçando os cientistas a construir detectores que são cada vez mais sensíveis. '

Ou talvez as leis da gravidade que até agora descreveram com sucesso o movimento de objetos dentro do sistema solar precisem de revisão.

Essas ilustrações, tiradas de simulações de computador, mostram um enxame de aglomerados de matéria escura ao redor de nossa galáxia, a Via Láctea. Imagem lançada em 10 de julho de 2012.

Essas ilustrações, tiradas de simulações de computador, mostram um enxame de aglomerados de matéria escura ao redor de nossa galáxia, a Via Láctea. Imagem lançada em 10 de julho de 2012.(Crédito da imagem: J. Tumlinson (STScI))

Como sabemos que a matéria escura existe?

Se os cientistas não podem ver a matéria escura, como eles sabem que ela existe?

Os cientistas calculam a massa de grandes objetos no espaço estudando seu movimento. Os astrônomos que examinaram galáxias espirais na década de 1970 esperavam ver o material no centro movendo-se mais rápido do que nas bordas externas. Em vez disso, eles descobriram que as estrelas em ambos os locais viajavam na mesma velocidade, indicando que as galáxias continham mais massa do que podia ser visto. Estudos do gás dentro de galáxias elípticas também indicaram a necessidade de mais massa do que a encontrada em objetos visíveis. Aglomerados de galáxias se separariam se a única massa que continham fosse visível às medições astronômicas convencionais.

Albert Einstein mostraram que objetos massivos no universo dobram e distorcem a luz, permitindo que sejam usados ​​como lentes. Ao estudar como a luz é distorcida por aglomerados de galáxias, os astrônomos foram capazes de criar um mapa da matéria escura no universo.

Todos esses métodos fornecem uma forte indicação de que a maior parte da matéria no universo é algo ainda não visto.

Pesquisa de matéria escura

Embora a matéria escura seja diferente da matéria comum, há uma série de experimentos trabalhando para detectar o material incomum.

o Espectrômetro Alfa Magnético (AMS) , um detector de partículas sensíveis na Estação Espacial Internacional, está operando desde sua instalação em 2011.

Até agora, a AMS rastreou mais de 100 bilhões de ocorrências de raios cósmicos em seus detectores, o cientista chefe da AMS Samuel Ting, ganhador do Prêmio Nobel do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, disse ao Space.com .

'Medimos um excesso de pósitrons [a contraparte de antimatéria de um elétron], e esse excesso pode vir da matéria escura. Mas, neste momento, ainda precisamos de mais dados para ter certeza de que é da matéria escura e não de algumas fontes astrofísicas estranhas ', disse Ting. 'Isso vai exigir que trabalhemos mais alguns anos.'

De volta à Terra, abaixo de uma montanha na Itália, o XENON1T do LNGS está à procura de sinais de interação depois que os WIMPs colidem com átomos de xenônio. O laboratório divulgou recentemente os primeiros resultados do experimento.

'Uma nova fase na corrida para detectar a matéria escura com detectores massivos de fundo ultrabaixo na Terra acaba de começar com o XENON1T', disse a porta-voz do projeto, Elena Aprile, professora da Universidade de Columbia, em um demonstração . 'Estamos orgulhosos de estar na vanguarda da corrida com este detector incrível, o primeiro de seu tipo.'

o Grande experimento de matéria escura de xenônio subterrâneo (LUX) , localizada em uma mina de ouro em Dakota do Sul, também tem procurado sinais de interações WIMP e xenon. Mas até agora, o instrumento não revelou o assunto misterioso.

'Embora um sinal positivo fosse bem-vindo, a natureza não foi tão gentil!' Cham Ghag, um físico da University College London e colaborador do LUX, disse em um comunicado. 'No entanto, um resultado nulo é significativo, pois muda a paisagem do campo ao restringir modelos para o que a matéria escura poderia estar além de qualquer coisa que existia anteriormente.'

Neste artista

Na ilustração deste artista, baseada em uma imagem real do laboratório IceCube no Pólo Sul, uma fonte distante emite neutrinos que são detectados abaixo do gelo por sensores IceCube.(Crédito da imagem: IceCube / NSF)

Observatório IceCube Neutrino , um experimento enterrado sob o gelo da Antártica, está à caça de neutrinos estéreis. Os neutrinos estéreis interagem apenas com a matéria regular por meio da gravidade, tornando-se um forte candidato para a matéria escura.

Outros instrumentos buscam os efeitos da matéria escura. Da Agência Espacial Europeia Nave espacial Planck vem construindo um mapa do universo desde que foi lançado em 2009. Ao observar como a massa do universo interage, a espaçonave pode investigar tanto a matéria escura quanto sua parceira, a energia escura.

Em 2014, NASA's Telescópio espacial de raios gama Fermi fez mapas do coração da Via Láctea em luz de raios gama, revelando um excesso de emissões de raios gama estendendo-se de seu núcleo.

'O sinal que encontramos não pode ser explicado pelas alternativas propostas atualmente e está de acordo com as previsões de modelos de matéria escura muito simples', autor principal Dan Hooper, astrofísico do Fermilab em Illinois, disse ao Space.com .

O excesso pode ser explicado pela aniquilação de partículas de matéria escura com massa entre 31 e 40 bilhões de elétron-volts, disseram os pesquisadores. O resultado por si só não é suficiente para ser considerado uma arma fumegante para a matéria escura. Dados adicionais de outros projetos de observação ou experimentos de detecção direta seriam necessários para validar a interpretação.

Os astrônomos sabem mais sobre o que a matéria escura não é do que realmente é. Veja o que os cientistas sabem sobre a matéria escura neste infográfico da Space.com.

Os astrônomos sabem mais sobre o que a matéria escura não é do que realmente é.(Crédito da imagem: Karl Tate, artista de infográficos do Space.com)

Matéria escura versus energia escura

Embora a matéria escura constitua a maior parte da matéria do universo, ela representa apenas cerca de um quarto da composição total do universo. A energia do universo é dominada por energia escura .

Depois de Grande explosão , o universo começou a se expandir para fora. Os cientistas pensaram que ela acabaria ficando sem energia, desacelerando à medida que a gravidade puxava os objetos dentro dela. Mas estudos de supernovas distantes revelaram que o universo hoje está se expandindo mais rápido do que no passado, não mais devagar, indicando que a expansão está se acelerando. Isso só seria possível se o universo contivesse energia suficiente para superar a gravidade - a energia escura.

Recursos adicionais:

Este artigo foi atualizado em 16 de julho de 2019 pelo colaborador da Space.com, Tim Childers.