Um breve histórico sobre a matéria escura
Uma breve história da Gravitação.
Ao longo da história da humanidade, a composição, a estrutura e a evolução do universo têm motivado diversos estudos e longos debates sobre o tema. À medida que nossa tecnologia se desenvolve, as observações nos proporcionam novas descobertas e por consequência, novos modelos sobre a estrutura e a evolução do Universo são construídos. Como um ciclo virtuoso, este procedimento se repete. Dessa forma, para cada época, possuímos um modelo que procura explicar nossas observações.
Os modelos mais antigos, os quais eram baseados apenas em observações a olho nu das estruturas visíveis, descreviam apenas um Universo que era menor do que nosso sistema solar. Desde então, a comunidade cientifica tem expandido a fronteira de nosso conhecimento e conseqüentemente do Universo, mas a regularidade de alguns fenômenos, como a duração de um período solar, de um período lunar, das estações do ano, dos equinócios e solstícios permitiram a comunidade científica a elaboração de leis físicas que vão além de uma razão argumentativa. Esses fenômenos cíclicos permitiram a construção de modelos lógicos matemáticos com a possibilidade de previsões, que até certo ponto eram surpreendentes.
Uma das
primeiras descrições da dinâmica do Universo a incorporar equações
matemáticas foram as Leis de Kepler, idealizadas no século XVII pelo
astrônomo e matemático alemão Johannes Kepler, que descrevem
geometricamente as órbitas; primeiramente, apenas do sistema solar e
generalizado posteriormente para todas as estruturas celeste. Apesar de
corretas, as leis de Kepler possui limitações, visto que não explicam o
porquê dos corpos permanecerem nas suas órbitas e a natureza da
velocidade de rotação dos mesmos. Esta tarefa foi realizada por Isaac
Newton.
Figura 1 - Johannes Kepler e o sistema solar.
Crédito da figura: http://epicworldhistory.blogspot.com.br/2012/06/johannes-kepler.html
No século XVII, o físico e matemático britânico Isaac Newton publicou seu livro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica,
no qual descreve três leis – que ficaram conhecidas como as leis de
Newton – e a lei da gravitação universal e estabelece as leis que ainda
utilizamos para uma descrição aproximada da dinâmica do Universo. Mas,
mesmo com o avanço proporcionado por Newton, a natureza da força
gravitacional ainda era um mistério. Uma explicação mais satisfatória
foi dada por Albert Einstein.
Figura 2 - Isaac Newton e sua publicação Philosophiae Naturalis Principia Mathematica.
Crédito da Figura: http://tamezuando.com.br/curiosidades/20-invencoes-tecnologicas-da-epoca-da-renascenca/
No século
XX, o físico alemão Albert Einstein publica sua teoria da relatividade
geral. Esta teoria, que permite uma descrição mais elegante e detalhada
do universo, possibilitou novas e surpreendentes descobertas sobre a
origem e evolução do Universo e nos levou aos nossos atuais modelos que
descrevem a evolução das estruturas do Universo.
Figura 3 – Albert Einstein publica sua teoria da relatividade geral.
Crédito da Figura:
http://eventsbirthdays.altervista.org/wp-content/uploads/2014/05/8_Relativity.jpg
Com o desenvolvimento dessas ferramentas
teóricas, a comunidade científica tem tido avanços significativos para a
elaboração de modelos consistentes para a análise e explicação das
estruturas celestes. Uma forma de analisar o comportamento da dinâmica
celeste é verificar como estas estruturas se comportam sobre a
influência da interação gravitacional. Hoje está claro que seus
movimentos orbitais e suas velocidades de rotação e sua dinâmica
dependem de uma grandeza física fundamental responsável por essa
interação: a massa.
Uma componente escura do Universo
Na década de 1930, o astrônomo suíço Fritz Zwicky, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, ao estudar o aglomerado de Coma (formado por mais de 2.000 galáxias), se deparou com um problema: as velocidades de rotação das galáxias eram maiores do que o previsto, levando-se em conta a sua massa estimada à partir do seu brilho. Logo, elas não poderiam estar unidas ao aglomerado; deveriam ter escapado dos efeitos gravitacionais. Zwick argumentou que o aglomerado de Coma deveria conter uma grande quantidade de matéria não contabilizada pelas estrelas brilhantes. Ele atribuiu a essa quantidade de matéria não ordinária, portanto que deveria ser "escura" (ou seja, que não emite luz), de “massa faltante”, que posteriormente ficou conhecida como matéria escura.
Figura 4 - Fritz Zwicky, considerando o “pai da matéria escura”.
Crédito da figura: http://www.missedinhistory.com/podcasts/the-father-of-dark-matter/
http://scienceblogs.com/startswithabang/2009/06/15/the-last-100-years-the-1930s-a/
Figura 5 – Aglomerado de Coma, que forneceu a Zwicky a primeira evidencia sobre a “massa faltante”.
Crédito da figura: http://earthsky.org/clusters-nebulae-galaxies/the-coma-berenices-galaxy-cluster
A descoberta de Zwicky, em 1933,
evidenciando que a contribuição da matéria visível é apenas uma pequena
fração de toda a massa no Universo pode ter sido um dos mais profundos
novos conhecimentos produzidos pela exploração científica do século 20.
Figura 6 – Representação esquemática da velocidade de rotação das estruturas celestes.
Crédito da figura: http://canaltech.com.br/materia/ciencia/o-que-sao-as-ondas-gravitacionais-e-como-sua-descoberta-pode-mudar-a-ciencia-57813/
Apesar
das evidências indiretas da existência da matéria escura na década de
1930, baseadas em considerações teóricas, foi somente em 1970 que houve
uma evidência observacional da sua existência, à partir dos trabalhos
dos astrônomos Kent Ford e Vera Cooper Rubin, do Instituto Carnegie de
Washington, através da análise da velocidade de rotação da galáxia de
Andrômeda versus a distância radial até o seu centro. A velocidade
aumentava à medida que se afastava do centro da galáxia, indicando
claramente que havia uma massa não contabilizada pela matéria visível,
que permeava a borda da galáxia. Posteriormente, esse aspecto inesperado
da curva de rotação foi confirmado por observações de outras
galáxias, o que levou a comunidade científica a concluir que a matéria
escura realmente existia.
Figura 7 – Vera Rubin e a evidência da curva de rotação para a galáxia M31.
Crédito da Figura: http://d1068036.site.myhosting.com/ePhysics.f/labIII_14.html - http://lectures.princeton.edu/2006/vera-rubin/
Nessa mesma época, os astrônomos Jeremiah
Ostriker e James Peebles, da Universidade de Princeton, estavam
utilizando simulações numéricas para estudar a evolução das galáxias e
concluíram que, sem a presença de uma grande quantidade de massa não
luminosa, as galáxias entrariam em colapso e não se formariam,
evidenciando através de simulações numéricas a existência da matéria
escura.
Figura 8 - Jeremiah Ostriker e James Peebles utilizaram os dados observacionais para produzir simulações numéricas para a evolução de galáxias.
Crédito da figura: http://www.nature.com/nature/journal/v530/n7589/images/530158a-i1.jpg
https://www.learner.org/courses/physics/visual/img_lrg/peebles_ostriker.jpg
As
evidências trazidas pelas curvas de rotação das galáxias, pelas
simulações numéricas computacionais e também pelas chamadas lentes
gravitacionais, levaram a comunidade científica aceitar a ideia da
existência de uma substância misteriosa que compõe cerca de 96% da massa
de nosso universo. Porém, apesar dos esforços para determinar a
natureza desta substância, ela ainda permanece uma incógnita.
No final da década de 1970, a maioria dos astrônomos havia se convencido de que a “massa faltante” existia em quantidades cosmologicamente significativas. No entanto, ainda não estava claro se essa massa estaria na forma de matéria ordinária, como as anãs marrons, anãs brancas, buracos negros, gás muito quente, ou pequenos planetas, que são formadas por matéria bariônica (no caso, prótons e nêutrons). Alguns cientistas, como Martin John Rees, levantaram a possibilidade de que a massa faltante poderia ter um caráter mais exótico. Por exemplo, a ideia de que os neutrinos com massa muito pequena seriam os possíveis candidatos. Após cálculos teóricos, hoje sabemos que os neutrinos, exclusivamente, não dariam conta de explicar toda a matéria escura estimada no Universo.
No entanto, essa indagação marca o início da “era das partículas elementares” no cenário da matéria escura. Atualmente, a comunidade cientifica que busca a natureza da matéria escura espera encontrá-la em uma ou mais partículas elementares. Como o modelo padrão das partículas elementares, possui como candidatos à matéria escura somente os neutrinos, os candidatos plausíveis devem necessariamente vir de modelos que vão além do modelo padrão, como o modelo padrão supersimétrico mínimo, que tem o neutralino mais leve como um candidato promissor.
De acordo com os cosmólogos, as partículas de matéria escura podem se agregar ao longo do tempo em determinadas regiões do cosmos, muitas vezes nos mesmos lugares onde as galáxias e aglomerados de galáxias se formam. Ao longo do tempo, uma "teia cósmica" se desenvolve em todo o universo. Embora a matéria escura seja invisível, ela se expande com o universo e sente a força da gravidade.
Com essas informações, os astrofísicos
podem reconstruir mapas através do levantamento de milhões de galáxias. A
construção desses mapas, que abrangem uma grande área do céu, se dá
atualmente através de grandes colaborações internacionais, como a
colaboração The Dark Energy Survey (DES, na sigla em inglês),
formada por cientistas e instituições dos EUA, Reino Unido, Espanha,
Alemanha, Suíça e Brasil.
Figura 9 – Mapa da distribuição da matéria escura no Universo. Figura divulgada pela colaboração The Dark Energy Survey, que mapearam a distribuição da matéria escura em uma grande área do céu. As cores indicam a densidade de massa projetada.
Crédito da Imagem: The Dark Energy Survey
Disponível em: http://www.universetoday.com/119848/scientists-map-the-dark-matter-around-millions-of-galaxies/
Figura 10 – Mapa da distribuição da matéria escura no Universo.
Crédito da Imagem: Dark Energy Survey
Disponível em: http://www.universetoday.com/119848/scientists-map-the-dark-matter-around-millions-of-galaxies/
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