A obrigado por perguntar! Esta é provavelmente a mais frequente de todas as perguntas sobre a matéria escura, e de forma compreensível. Em virtude disso a hipótese da matéria escura é difícil de engolir; propõe que a grande maioria da matéria em nosso universo seja composta de um material misterioso que não se assemelha a qualquer matéria terrestre e nunca foi diretamente observada. No entanto hoje, existe um amplo acordo entre os cosmólogos que alguma forma de matéria escura realmente existe. Como é que tantas pessoas chegam a uma conclusão tão extraordinária?
Para ajudar a responder a esta questão central, precismaos levar em conta algumas considerações:
Mais detalhes estão disponíveis nas paginass de conteudo desse site ou em outros recursos da web, mas abaixo darei um breve resumo do raciocínio básico. Há muitas linhas independentes de evidências empíricas que sugerem que o universo contém mais do que os olhos podem observar; até agora, a hipótese da Matéria Escura é realmente a mais simples explicação que une todas estas observações!
Propostas de matéria
Hoje podemos aprender sobre o universo olhando os movimentos de suas partes visíveis: gás, estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias. Usando as leis do movimento e da gravitação determinada por Newton, Einstein e outros, podemos estimar a massa de um objeto medindo o efeito da sua gravidade em outros objetos nas proximidades. Nós achamos que as velocidades orbitais das estrelas e nuvens de gás em galáxias são tão rápidas que a gravidade exercida pela matéria visível não é suficiente para mantê-las juntos. Desse modo deve haver uma massa adicional, invisível para fornecer a força gravitacional extra necessária para manter as estruturas unidas. Da mesma forma, os movimentos do gás e das galáxias dentro de aglomerados de galáxias nos dizem que essas estruturas maiores também devem ser dominadas por "matéria escura".
Lentes gravitacionais
Quando a luz de uma fonte distante passa perto de um objeto pesado, seu caminho é ligeiramente desviado pela gravidade. Este fenômeno chamado "lente gravitacional" tem sido usado para mapear a distribuição de massa em torno de aglomerados de galáxias, com base nas distorções induzidas nas imagens das galáxias mais distantes. Novamente, descobrimos que os objetos visíveis nestes grupos são apenas uma pequena porção do total da massa.
O universo de imagens do bebê
Também podemos aprender sobre o universo através do estudo de evidências de sua história mais antiga. Dois tipos de dados sobre o início do universo são particularmente importantes:
Nucleossíntese primordial: Durante seus primeiros segundos de existência nosso universo era tão quente como o interior de uma estrela, quente o suficiente para existir condições para a fusão nuclear. Certos núcleos leves (nomeadamente de deutério e hélio) foram produzidos nestes primeiros momentos, e estudando suas abundâncias podemos aprender sobre as condições da “bola de fogo primordial”. Estes dados dão provas claras de que a maior parte da matéria do universo é de natureza "não-bariônica" - ou seja, ela é feita de algo diferente dos prótons, nêutrons e elétrons que se acumulam, formando toda a matéria na Terra.
A radiação cósmica de fundo: Uma parte do calor do início do universo ainda é detectável no céu hoje, visível como uma radiação de microondas distribuída de maneira quase uniforme em todas as partes do céu. O estudo deste snapshot do início do universo já levou a dois prêmios Nobel em Física. O padrão de ligeiros pontos quentes e frios no fundo de microondas através do céu também nos diz sobre as propriedades do início do universo, e nos levam à mesma conclusão: muito da matéria do universo é de naturaza não-bariônica.
Evolução do universo
Por fim, a composição do universo determina como são as estruturas maciças dentro dele - galáxias e aglomerados de galáxias - crescem e mudam ao longo do tempo. A uniformidade da radiação cósmica de fundo de microondas nos diz que a distribuição da matéria bariônica no início do Universo era extremamente uniforme. Sem a presença da matéria escura para fornecer força gravitacional adicional, simplesmente não haveria tempo suficiente para o suave início do universo e de seu crescimento em um ritmo muito irregular como atualmente podemos observar ao nosso redor.
Questão respondida por:
Dr. Jeffrey Filippini
Grupo de Cosmologia Observacional do Instituto de Tecnologia da Califórnia
(anteriormente da Universidade da Califórnia - Berkeley).
2-) Se há tanta falta de massa, por que o universo esta se espandido de maneira acelerada?
Então, em primeiro lugar, há o problema da matéria escura. Muitas evidências sugerem que a massa do universo é constituída principalmente por uma forma ainda não identificada da matéria. Os átomos que formam galáxias, estrelas, poeira interestelar e gás intergaláctico ou você e eu somos uma componente cósmica minoritária, que constitui apenas cerca de 4% da massa do universo. Nosso universo parece ser formado de uma quantidade muito maior de massa.
Agora, em cima disso, algumas evidencias sugerem que o universo está em expansão e acelerando!!
Isso parece contraditório, se há ainda mais massa do que se pensa então a gravidade seria ainda mais forte retardando a expansão e não acelerando? Sim - mas há algo mais que não estamos considerando nesta equação. Einstein encontrou que poderia existir em suas equações da relatividade geral um termo extra o chamado “constante cosmológica”. Acontece que esta constante possui a estranha propriedade de empurrar o espaço-tempo, não atrair como a gravidade. Algumas observações recentes de super-novas (que, na verdade, aconteceu há bilhões de anos) nos dizem que esta constante não é apenas uma possibilidade matemática, mas algo real.
Assim, mesmo tendo em conta o fato de que há muito mais massa no universo do que pensávamos a constante cosmológica (energia escura, quintessência, o termo que você quiser...) está dominando a expansão e causando a aceleração - apesar de toda a matéria adicional. Na verdade, se o valor da constante cosmológica for convertido em unidades de massa, haveria duas vezes mais energia escura em relação à matéria escura.
Além disso, a densidade de massa do universo diminui à medida que o Universo se expande. Isto ocorre apenas na mesma maneira como a densidade (que significa massa por volume), dos átomos de gás numa caixa que diminui à medida que o tamanho da caixa aumenta. Como o tamanho do universo aumenta com a expansão, a densidade diminui. Acontece que agora nós estamos numa época em que a densidade diminuiu o suficiente para permitir que a energia escura possa ser notada (é isso que eu quero dizer com "o dobro de energia escura em relação a matéria escura "no parágrafo anterior).
Bilhões de anos atrás, o universo era menor, então, toda a massa ficava em uma caixa menor, desse modo sua densidade era maior, por isso, poderíamos não ter notado a energia escura. A densidade da energia escura, de acordo com o nosso melhor palpite, não mudar com o tempo - é constante, é por isso que nós a chamamos de “constante cosmológico”. É simplesmente uma propriedade do espaço na própria caixa, independentemente do tamanho da caixa.
Questão respondida por:
Michael Scott Armel
Centro de Astrofísica de Partículas, Berkeley
3-) Será que a matéria escura implica em energia escura?
Mais ou menos, na verdade a história é essa: A matéria escura é esperada por muitos para ser formada a partir de partículas que atualmente não fazem parte do modelo padrão da física de partículas. Muitos físicos acreditam que existam outras partículas que ainda não foram descobertas. Na verdade, de acordo com a teoria da Superssimetria (SUSY), cada partícula que nós conhecemos deve possuir um parceiro ainda desconhecido.
As partículas nesta nova família de partícula SUSY não são como a anti-matéria ou a matéria-espelho. Elas são apenas outras partículas. Mas, para chegar à sua pergunta, mesmo o fóton teria um parceiro neste reino da superssimetria chamado de "fotino" e não, ele não é feito de energia escura, o “fotino” não deve ser exótico, exceto por algumas propriedades das partículas que se apresentam diferentes partículas.
Questão respondida por:
Michael Scott Armel
Centro de Astrofísica de Partículas, Berkeleys
4-) A matéria escura poderia ser a anti-matéria?
Isso é uma boa idéia, e muitos físicos já refletiram sobre a anti-matéria no universo. Mas é pouco provável que a matéria escura seja a anti-matéria. A anti-matéria existe de fato e ela pode ser criada na Terra em laboratórios e também podem existir no espaço sideral. Mas, quando a anti-matéria colide com a matéria, ocorre uma aniquilação e uma radiação é emitida.
Agora, se estivermos certos sobre a matéria escura, há uma enorme quantidade dela no unverso - muito mais do que a matéria comum. Ela existe em "halos" esferóides nos centros das galáxias e estende-se para além da periferia das galáxias. Se este “halos” fossem formados de anti-matéria tudo seria aniquilado com a matéria comum, e isto já teria ocorrido há muito tempo.
Mas, o que é a matéria escura, não sabemos ...
Questão respondida por:
Michael Scott Armel
Centro de Astrofísica de Partículas, Berkeley
5-) Algumas considerações sobre a densidade de massa, MACHOS e rotação galáctica ...
Boa pergunta. A resposta técnica é que nas equações da relatividade geral que descrevem a expansão do universo, os termos devem se anular de tal maneira que é deixado com um termo que é proporcional à densidade da massa total e um termo que é proporcional a constante de expansão. Esta forma agradável acontece desde que o Universo tenha aproximadamente a mesma densidade de massa em todos os lugares e esteja se expandindo uniformemente em todos os lugares. Assim, podemos escrever equações que descrevem a expansão que emana a partir de qualquer ponto arbitrário, desde que a expansão esteja ocorrendo a partir de cada ponto da mesma maneira. Quando escrevemos as equações, realmente temos primeiro que escrever uma expressão para a massa total do seu exemplo de caso em miniatura. Mas, podemos reduzir a equação e a massa total é reduzida para apenas um termo de densidade, assim definimos um “prazo” para a expansão que é a constante de Hubble.
Fisicamente, você pode pensar nisso como uma explosão de um valor definido de massa. Se a explosão ocorre e os pedaços de massa estão muito próximos (mais denso), a gravidade das peças será mais forte e altera o movimento da massa. Se a explosão ocorre de tal modo que os pedaços de massa estão mais afastados (menos denso), então sua atração gravitacional será comparativamente mais fraca. Assim, para a mesma massa, a densidade é importante.
Em segundo lugar, os objetos compactos podem ser um possível candidato para a matéria escura?
Objetos compactos, como MACHOS estão se tornando cada vez menos prováveis como candidatos a matéria escura. Eles existem e há uma pesquisa emocionante sendo conduzida pelos astrônomos para procurá-los, mas embora eles apareçam,apenas podem contribuir com uma pequena percentagem da massa total ausente.
Em terceiro lugar, como podemos estimar a distância da galáxia ao centro de um aglomerado e como isso nos ajuda a traçar as curvas de rotação?
Existem pelo menos duas fontes de informação importantes sobre a matéria escura sobre o qual podemos estudar e determinar os movimentos galácticos. O primeiro e mais conhecido é o método da curva de rotação que você mencionou.
Os astrônomos podem medir a velocidade de rotação do material dentro de uma galáxia enquanto ele orbita o centro da galáxia. Esta medição é feita em uma galáxia individual, e não em um aglomerado de galáxia. Galáxias têm estruturas que podem ser categorizadas. Ao observar a radiação a partir do material em uma galáxia e, em seguida, observando a estrutura da galáxia, o centro pode ser determinado e a velocidade das estrelas galácticas e do gás em torno desse centro pode ser medida.
Questão respondida por:
Michael Scott Armel
Centro de Astrofísica de Partículas, Berkeleys
5-) WIMPs vs MACHOs
Então, houve pelo menos duas teorias muito bem-sucedidas sobre a natureza da matéria escura. Alguns sugeriram que a matéria escura não é feita de alguma nova partícula estranha, mas consiste de uma partícula comum, mas difícil de, ver como as estrelas mortas ou até mesmo grandes objetos planetários frios. Uma vez que este tipo de matéria escura não está sob a forma de partículas espalhadas através do espaço, mas em vez disso, esta sob a forma de objetos compactos, chamamos essas massas hipotéticas de "compactos". Estes objetos de matéria escura estariam acumulados no interior das galáxias, especialmente sobre o centro de cada galáxia. Nós chamamos este aglomerado de matéria escura em torno do centro de cada galáxia de “halo”. Assim, esses objetos hipotéticos seriam enormes, compactos e eles devem ser encontrados no halo da galáxia. Assim, eles são chamados "Enormes Objetos Compactos do Halo" ou "MACHO's" para ser breve.
As WIMPS são outros candidatos muito populares para a matéria escura. Ao contrário dos MACHOs, elas não estão sob forma de objetos compactos reunidos em centros galácticos, mas são partículas desconhecidas que foram criadas no Big Bang e existem em todos os lugares. No entanto, o seu número é maior nos centros das galáxias e existiriam na forma de halos que se juntaram nas galáxias. Sabemos que, se existem estas partículas que interagem com a matéria comum muito fracamente e, mesmo que cada indivíduo hipotético for uma partícula, provavelmente, muito leve, elas provavelmente possuem uma relação muito grande de massa comparada com outras partículas com as quais estamos familiarizados (talvez 100 vezes mais pesadas do que um átomo de hidrogênio) Então, nós as chamamos de "partículas massivas que interagem fracamente" ou "WIMPs" para breve.
Agora, a partir de uma variedade de estudos como observações de lentes gravitacionais, sabemos que os MACHOs existem. Mas, eles provavelmente não são responsáveis por mais do que uma pequena porcentagem da massa em falta. Estamos supondo que o resto seja WIMPS. Dversas experiência pode nos dizer mais dentro de mais alguns anos! ...
Questão respondida por
Michael Scott Armel
Centro de Astrofísica de Partículas, Berkeley
6-) O que é a teoria da matéria escura?
Assim, o universo começou com o Big Bang a 13 bilhões de anos atrás. Muitas partículas e anti-partículas foram criadas no Big Bang. Nos primeiros momentos, a maioria das partículas eram aniquiladas com seu parceiro, a anti-partícula, mas uma pequena fração permaneceu devido a um ligeiro desequilíbrio nas proporções de partículas e anti-partículas. Este ligeiro excesso é responsável pela formação dos átomos que temos observado através do universo. Eles finalmente formaram as galáxias, estrelas, você e eu.
Mas, o problema é que esta forma conhecida de massa (que forma todos os elementos da tabela periódica) provavelmente não é o único conjunto de partículas que sobreviveram à grande explosão. Nós acreditamos que outra família inteira de partículas foi criada e sobreviveu ao Big Bang. Estas partículas são invisíveis e constituem a maior parte da massa do universo! Elas sobreviveram ao Big Bang não devido a um excesso na sua proporção partícula/anti-partícula, mas porque o Universo expandiu-se muito rapidamente em relação à sua taxa de aniquilação e foram dispersas antes que elas tivessem a chance de se aniquilar.
As partículas de matéria comum (e não escura) são parte do "Modelo Padrão" de partículas. A partícula de matéria escura se conjecturou serem membros de uma nova família de partículas chamada a família "Superssimetrica". Para cada partícula do modelo padrão, haveria uma partícula irmã na família superssimétrica. Elas têm diferentes propriedades e não são a mesma coisa que as anti-partículas.
Então, os aceleradores de partículas na Terra estão sendo utilizados para tentar encontrar estas partículas SUSY (abreviação de partículas Superssimetricas). Se nós pudermos encontrá-las em laboratório, temos os melhores motivos para suspeitar que elas sejam de fato um bom candidato para a matéria escura.
Questão respondida por:
Michael Scott Armel
Centro de Astrofísica de Partículas, Berkeley
7-) Podemos saber o conteúdo bariônico da matéria escura?
Os cientistas acreditam que, de fato, que as contribuições de ambas as componentes não-bariônica e bariônica da matéria escura somos capazes de se determinar.
Em geral, pensa-se que é quase impossível para uma parcela significativa de a matéria escura ser bariônica. Na melhor das hipóteses alguns por cento da massa em falta pode ser matéria bariônica normal.
A melhor peça de evidência para isso são os cálculos da nucleossíntese do Big Bang (BBN). Dado o conhecimento da taxa de reações nucleares, a produção de elementos leves nos primeiros momentos do universo pode ser calculada. Estas abundâncias calculadas podem ser comparados com medidas das abundâncias no universo. Diversas teorias indicam que apenas uma pequena porcentagem da massa do universo é bariônica. Se houvesse massa muito mais bariônica os cálculos seriam jogados fora.
No entanto, da observação, podemos determinar os poucos por cento da massa bariônica. Acredita-se que essa pequena fração esta na forma de poeira ou gás ionizado ou objetos como MACHO's. Assim, existem de fato dois problemas para a massa em falta - a massa bariônica faltando e o real problema da massa em falta, que deve ser resolvido por uma partícula não-bariónica.
Apenas para o registro, cerca de 2/3 da massa-energia do universo é a energia escura. 1/3 é a matéria escura e uma percentagem marginal é bariônica.
Questão respondida por:
Michael Scott Armel
Centro de Astrofísica de Partículas, Berkeley
8-) O mar de partículas virtuais contribuir para a matéria escura?
Isto é realmente não é uma idéia maluca. Contudo, o efeito da nuvem de partículas virtuais que cercam cada partícula real já está bem entendido pela comunidade cientifica. Na verdade, as massas e as cargas de cada partícula são ligeiramente alteradas pela nuvem virtual. A matéria escura parece ser feita de partículas reais que por sua vez têm as suas próprias pequenas nuvens circundantes de partículas virtuais. Mas, há algo no mundo virtual que nós não entendemos e pode ter algo a ver não com a matéria escura, mas com a energia escura. Como você pode ter ouvido que a expansão do universo esta acelerada, acreditamos que esta expansão possa se causada por um campo de energia que é parte integrante do tecido do espaço-tempo. A natureza deste campo não é entendida e é provável que envolva algumas considerações mais profundas sobre o campo virtual de partículas em todo o espaço.
10-) Quais são algumas maneiras de detectar a matéria escura?
Nosso projeto persegue o que é chamado de "detecção direta" da matéria escura. A principal teoria sugere que a matéria escura consiste de partículas que estão agrupadas em torno dos centros das galáxias e se espalhou por toda e cada galáxia. Assim, algumas dessas partículas deverão estar passando através da Terra e através de você ou eu. Nós projetamos detectores para detectar a minúscula energia a partir de uma colisão entre uma partícula de matéria escura galáctica e um átomo no corpo dos nossos detectores. Vários outros grupos de todo o mundo estão buscando empreendimentos similares.
A paisagem teórica é vasta, e ainda há muitas idéias flutuando em torno de como detectar a matéria escura e qual sua natureza. Aqui está outra idéia: Partículas de matéria escura em nossa galáxia e aglomerados de galáxias também devem estar presentes em torno de estrelas como o nosso Sol - elas ficam presas pela gravidade. Assim, deve haver uma maior densidade de partículas de matéria escura no sol do que no espaço vizinho ao nosso redor. Partículas de matéria escura podem decair ou aniquilarem-se umas com as outras e isso vai emitir uma partícula que possui a assinatura do decaimento ou um fóton de luz. Talvez nós possamos detectar as assinaturas do decaimento da matéria escura presa em nosso sol?
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11-) Velocidades térmicas WIMP, propriedades de interação ...
Em primeiro lugar, eu estava me perguntando, quais são as massas que essas partículas possuem? Seriam maior ou menor do que a massa dos prótons e nêutrons? Estas partículas são fundamentais? Ou elas podem decair em outras partículas?
Não sabemos ao certo sua massa ainda, ou mesmo muito bem o que elas sejam. O nosso melhor palpite, baseado nas teorias de partículas que prevêem a sua existência, é que elas sejam aproximadamente 100 vezes mais pesadas do que um próton.
Em segundo lugar, como é que essas partículas se movem - elas permanecem em uma área ou estão continuamente se movendo em linha reta como (eu acho) neutrinos se movem?
Nós acreditamos que elas se comportem como os átomos individuais de oxigênio do ar num quarto. Se a porta está fechada, a coleção de átomos permanece mais ou menos "presa" no quarto, mas eles podem colidir com outros objetos na sala. As WIMPs se estivermos certos, estariam "presas" em uma grande nuvem chamada de halo. Tal halo parece cercar cada galáxia - na verdade, o halo de matéria escura foi formado primeiro e puxou o gás, formando as estrelas. Agora, as WIMPs de um halo galáctico possuem movimentos térmicos individuais (tais como os átomos de gás no ar ou no quarto) e elas permanecem localizados mais ou menos na galáxia (de novo, como um gás numa sala) e elas se chocam com os outros átomos que constituem as estrelas de nossas galáxias. Na verdade, acreditamos que o nosso sol, como cada uma dessas estrelas, tem a sua própria pequena coleção especial de WIMP's que se choca com átomos solares perdendo energia e estão sendo puxadas para dentro do sol pela gravidade. Aliás, nós suspeitamos que a velocidade das WINP's nas galáxias fosse cerca de 300 km/s. Tão rápido quanto o nosso sol está se movendo através da galáxia.
Além disso, podemos encontrar as WIMPs sob a forma de partículas individuais, quando elas são encontradas na terra se espera que formem conexões e se unam umas com as outras e se unam em estruturas? Eu penso que isso seria improvável porque elas seriam mais facilmente detectáveis se estiverem juntas em algum tipo de aglomerados?
O nosso melhor palpite é que elas estejam interagindo fracamente - com átomos e umas com as outras, mas são mais prováveis que estas partículas sejam solitárias, como os neutrinos. Alguns modelos sugerem que as WIMP's estejam auto-interagindo, mas que apenas implicaria que colidem mais facilmente umas com as outras e não formem átomos “WIMP”.
Será que elas nunca reagem e formam vínculos com partículas "normais" e se não, elas ainda podem criar campos eletromagnéticos de algum tipo?
As WIMP's não possuem carga elétrica, por isso não deve haver interações eletromagnéticas. Alguns modelos de partículas de matéria escura sugerem que elas interagem com os núcleos dos átomos muito fortemente, então elas poderiam ficar presas no interior dos núcleos, particularmente em átomos pesados com grandes núcleos. Estas teorias não são realmente levadas a sério pela maioria da comunidade cientifica. No entanto, como eu mencionei antes, quando elas colidem com átomos nas estrelas (raros, mas após um o tempo suficiente, isso pode acontecer), eles perdem energia e "caem" para as estrelas formando bolsões de maior densidade de WIMP's.
Além disso, a detecção das WIMP's conta com a idéia de que elas possuem certas propriedades ou que qualquer partícula com uma massa possa ser detectável a partir de suas colisões com um átomo, independentemente umas das outras?
Boa pergunta. Estamos apostando que elas interagem fracamente com núcleos atômicos. Em física de partículas, sabemos de, basicamente, quatro tipos de interações: fortes (mantém prótons e nêutrons juntos e mantém presos no núcleo), eletromagnéticas (liga-se elétrons com o núcleo), fracas (neutrinos, decaimento de nêutrons), e a gravidade. Até o "W" em WIMPs queremos dizer interação "fraca", como a terceira categoria acima. Isso, como você pode imaginar, é difícil de detectar. Agora, só porque uma partícula tem massa não significa que ele pode ser detectável exceto pela força da gravidade, naturalmente. Se você diz que algo tem massa, em seguida, ela tem que produzir alguma atração gravitacional. Isto é na verdade como nós sabemos da existência da matéria escura no universo. Nós medimos movimentos gravitacionais das galáxias e estrelas e aglomerados de galáxias e percebemos que deve haver mais massa no universo que esta causando os movimentos.
Mas, em termos de interações partícula-a-partícula, a gravidade não é importante e ficamos com as interações fortes, eletromagnética ou fraca. Algumas partículas interagem mais ou menos por um dos três processos acima, e todos interagem gravitacionalmente. Mas, o grau real que uma partícula se engaja em interações depende da sua constituição. Pode ser que eles interagem tão raramente que nunca vamos detectá-las, mas parece ser que, de acordo com as teorias, elas devem ter uma força de interação de tal forma que se esperarmos um ano ou algo assim com um bom conjunto de detectores, teremos uma boa chance de gravar apenas alguns solavancos.
Questão respondia por:
Scott-Armel FunkhouserCentro de Astrofísica de Partículas UCBerkeleyURL: http://cfpa.berkeley.edu/~armelu
12-) Como pode as WIMPs interagirem com os núcleos se elas não possuem carga? - (partículas e campos)
Então, se as partículas são susceptíveis de ter uma massa tão grande como 100 vezes à massa de um próton, elas provavelmente tendem a decair em partículas menores, bom é difícil dizer isso nessa fase? Além disso, se elas têm uma massa tão elevada, são susceptíveis a dar conta de toda a “matéria em falta” no universo?
Essa é a idéia. Pode ser que existam várias e diferentes espécies de partículas que constituem a massa em falta (matéria escura). Mas a nossa melhor suposição, e a explicação mais simples, é que há uma espécie dominante de matéria escura e é denominada de WIMP's.
Outra coisa, desculpe se isso é uma pergunta estúpida, mas se as partículas não possuem interações eletromagnéticas como elas interagem com os núcleos de átomos?
Boa pergunta. Assim, em teoria das partículas não são partículas e campos. Cada partícula com massa interage gravitacionalmente, através do gráviton, que é um "quantum" ou "pacote" de energia do campo gravitacional. Tudo que interage com a carga o faz com o campo eletromagnético através dos fótons que são os transportadores de força do campo eletromagnético (alías, a luz é composta por fóton). Cada quark (que compõem prótons e nêutrons) interage através de glúons, que é o "quanta" (pacotes) do campo forte. O campo fraco é outro campo, um pouco mais difícil de visualizar do que a gravidade e é de fato relacionado com o campo eletromagnético. Certas partículas (neutrinos, WIMPs?) interagem através do campo fraco com seu "quanta" que é chamado de "Bósons W e Z". A questão é que apenas partículas sem carga pode interagir apenas gravitacionalmente, as partículas sem carga também podem interagir fracamente através de interações fracas. É não-intuitivo, mas às vezes você tem que olhar para as coisas matematicamente para ver a simetria subjacente.
Questão respondida por:
Scott-Armel FunkhouserCentro de Astrofísica de Partículas UCBerkeleyURL: http://cfpa.berkeley.edu/~armel
13-) Explique a história da matéria escura em poucas palavras
OK, então aqui está em poucas palavras. O universo é cheio de material - é feito de partículas atômicas e que é moldada em pessoas, planetas, estrelas e galáxias (que são estrelas e poeira). Acreditamos que toda essa matéria foi produzida em uma enorme explosão de energia a cerca de 13bilhões de anos atrás chamada de Big Bang. A energia liberada partir deste Big Bang criou a matéria atômica e a jogou-o para fora no espaço. Desse modo eu, você, os carros, as estrelas, etc se formaram.
Nós costumávamos pensar que esta era a história toda. Mas, estamos percebendo que havia mais do que apenas a matéria atômica criada no Big Bang. Outra forma de matéria foi criada e ela foi “cuspida” para fora no universo, juntamente com a matéria atômica. Na verdade, tanto quanto nós podemos dizer, há mais desta outra forma de matéria do que a matéria atômica!
Esta outra matéria, criada no Big Bang como matéria atômica, é chamada matéria escura. Nós não podemos vê-la. É invisível, mas nós podemos detectá-la, ver os seus efeitos gravitacionais. Onde estão? Bem, lembrem-se quando eu disse que era apenas uma galáxia estrelas e poeira? Bem, hoje em dia acreditamos que as galáxias são realmente grandes nuvens desta matéria escura. Assim como água forma nuvens no céu, a matéria escura forma as nuvens no universo. Estas nuvens de matéria escura, através de sua força gravitacional, formaram redemoinhos de matéria atômica. Esta matéria atômica formou as estrelas e planetas. Nós costumávamos pensar nisso como o corpo da galáxia, mas realmente é apenas a cereja no topo do bolo. Uma galáxia é realmente e principalmente uma nuvem de matéria escura que tem estrelas presas nela.
É assim que nós esperamos detectá-la. A Terra orbita em torno do Sol, que é apenas uma estrela comum em uma galáxia típica e, portanto, temos de estar se movendo através de uma nuvem de matéria escura. Assim, alguma matéria escura deve estar passando através da Terra e de nós sem que possamos ser capazes de detecta - lá!
Questão respondida por
Scott-Armel FunkhouserCentro de Astrofísica de Partículas UCBerkeleyURL: http://cfpa.berkeley.edu/~armel
14- ) Poderia ser que a matéria escura esteja escondida dentro de outras dimensões?
Bem pensado, de fato, alguns cosmólogos estão investigando possibilidades muito semelhantes a esta. O Professor Andy Albrecht em UCDavis está trabalhando em modelos em que a massa responsável pela matéria escura se encontra em outras dimensões. Eu recomendo para maiores informações ver este artigo disponível em: http://www.sciencenews.org/20010407/bob14.asp
Questão respondida por
Scott-Armel FunkhouserCentro de Astrofísica de Partículas UCBerkeleyURL: http://cfpa.berkeley.edu/~armel
15-) A matéria escura pode irradiar luz como matéria comum?
Esta é realmente uma questão ilustrativa. Aqui está a diferença: a matéria "ordinária", que é o material de que você, os planetas e as estrelas são feitos, tudo é feito dos mesmos blocos de construção, átomos que consistem de prótons e nêutrons no interior de um núcleo denso e elétrons em orbitais ao redor deste núcleo. Agora, a matéria escura, se for verdadeira, quase definitivamente não é feita de átomos. O jardim zoológico das partículas fundamentais, algumas das quais constituem os pedaços de átomos, é chamado de "Modelo Padrão" o que costumava ser uma lista abrangente de toda a matéria. A matéria escura mudou isso. Alguns físicos agora sugerem que cada um dos membros do Modelo Padrão possua famílias formadas por alguns "primos", até então desconhecidos, em outra família de partículas. Isso é do que acreditamos que a matéria escura seja feita. Estas partículas “primas” se assemelham aos seus parentes no Modelo Padrão, mas cada uma pode ser diferente em alguns aspectos importantes. Mas algo que é aceito pela maioria dos físicos envolvidos é que estas partículas “primas” não se organizem como as partículas do modelo padrão.
Então, depois de tudo, podemos verificar que as partículas de matéria escura não irradiam. A radiação eletromagnética é o resultado de partículas carregadas que são aceleradas. O que isso tem a ver com um átomo? Átomos irradiam porque as partículas a partir da qual eles são feitos são "animadas" de alguma forma e vão apresentar algum tipo de movimento, mas, em seguida voltarão para seus estados naturais liberando radiação. As luzes em nossas casas e escritórios, das chamas de um incêndio são geradas desta forma: os elétrons nos átomos de um material ficam “animados” (com calor ou eletricidade) e sempre voltam para seu estado original liberando luz.
A matéria escura pode ser feita de um monte de partículas neutras solitárias. Não há nenhuma maneira que elas possam "ficar animadas" e lançar luz “voltando ao seu estado original”. Uma vez que as partículas de matéria escura podem ser neutras, partículas fantasmagóricas pesadas que não forme estruturas atômicas e justamente por esse motivo elas não ficam “voltando ao estado original”
Questão respondida por
Scott Funkhouser,
Grupo de Cosmologia Berkeley
Você diz que a matéria escura é uma partícula prima das partículas existente na nossa tabela periódica, isso significa que é possível que haja pessoas formadas por matéria escura? Eu percebo que você diz que a matéria escura tem propriedades diferentes.
Nós realmente não podemos ter certeza, uma vez que ainda não descobrimos ao certo o que a matéria escura é, mas os físicos em geral, não acreditam que existam pessoas feitas exclusivamente de matéria escura. A razão básica para isso é o que você menciona - as diferentes propriedades da matéria comum e da matéria escura (ou, pelo menos das WIMP's como matéria escura - o nosso melhor palpite sobre do que é feito a matéria escura).
Para construir uma pessoa, um planeta, ou qualquer outro objeto comum, é necessário reunir um grupo de partículas em uma região e estas partículas devem ficar juntas. Em seu corpo, a força eletromagnética (atração entre cargas positivas e negativas) faz com que os átomos se unam para construir as estruturas químicas complexas. Esta mesma força detém os átomos juntos - o núcleo positivamente carregado é atraído pelos elétrons carregados negativamente. O núcleo no centro do átomo é constituído de prótons e nêutrons, mantidos juntos pela força nuclear forte.
As WIMP's (as partículas que acreditamos que compõem a matéria escura) não "sentem" as forças nucleares, eletromagnéticas ou fortes. Isto significa que essas partículas não podem estar juntas para formar coisas como átomos (ou pessoas). Se você construísse uma pilha de WIMP's do tamanho de uma pessoa, não haveria nada para mante-lás unidas, elas apenas iriam desmoronar. As WIMP's sentem apenas a força nuclear fraca, mas isso não é muito útil para mantê-las unidas.
O mais importante é que elas também sentem as forças gravitacionais, que permitem que a matéria escura afete os movimentos de estrelas e planetas. Isso permite que partículas de matéria escura estejam em grandes conjuntos de nuvens soltas do tamanho de galáxias inteiras, mas suas interações não são fortes o suficiente para construir pequenos objetos sólidos (como pessoas).
Questão respondida por
Jeff Filippini,
Grupo de Cosmologia Berkeley
17-) Qual é a anomalia Pionner, e ele fundamentar a teoria da matéria escura?
Uma excelente pergunta sobre um verdadeiro mistério! A anomalia Pioneer é uma aceleração adicional inexplicável que as sondas espaciais Pioneer 10 e Pioneer 11 parecem ter experimentado quando elas estavam fora do nosso sistema solar.
Pioneer 10 foi lançada em 1972 e voou por Júpiter antes de sair do sistema solar. A Pioneer 11 foi lançada em 1973 e visitou tanto Júpiter quanto Saturno antes de sair do sistema solar (aproximadamente na direção oposta da Pioneer 10). Os cientistas foram capazes de monitorar o movimento de ambas as sondas com grande precisão, e usaram estes dados para estudar como as várias forças astronômicas (a gravidade do Sol e dos planetas, a solar, eólica, etc.), influenciam os movimentos das naves espaciais.
Por volta de 1980, quando as sondas atingiram aproximadamente a órbita de Urano, os cientistas descobriram que as duas naves começaram a ser mover um pouco mais rápido do que eles poderiam explicar. Parecia que havia uma pequena força extra nas sondas voltadas para o Sol. Esta força continuou até que o contato com as sondas fosse perdido em meados dos anos 1990. Depois de anos de estudos extremamente cuidadosos, os cientistas ainda não conseguiram explicar a origem desta aceleração.
Algumas pessoas sugeriram que esta anomalia pode ser causada por uma verdadeira força de algum tipo estranho de efeito gravitacional - talvez esta seja uma Indicação de que nós não entendemos a gravidade, assim como nós pensávamos que entediamos. Alguns físicos afirmam que isso poderia ser conectado a novas explicações sobre a matéria escura ou energia escura, o que seria uma possibilidade muito emocionante.
Infelizmente, ninguém esta completamente certo se a anomalia é mesmo real. Outras naves espaciais (Galileu, Ulisses, e mais recentemente Cassini) definitivamente não sentiram este efeito - embora existam algumas dicas, os cientistas não podem dizer com certeza. Este efeito também não foi visto no laboratório ou nos movimentos dos próprios planetas. Ainda é possível que a aceleração fosse causada por, digamos vazamento de combustível da nave espacial ou algum tipo de erro estranho no sistema. Mesmo que seja real, a anomalia não pode ser atribuída a gravidade ou a matéria escura. Neste momento, ninguém sabe!
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Jeff Filippini,
Grupo de Cosmologia Berkeley
18-) A matéria escura está localizada perto do centro de nossa galáxia? E o que ela faz?
Na verdade, é uma boa pergunta, algumas das pessoas mais brilhantes do mundo ainda estão tentando descobrir a resposta. Até agora, nós ainda não temos certeza exatamente do que a matéria escura realmente é feita. Existe uma grande quantidade de evidências de que a matéria escura existe, e que há muito mais matéria escura do que a matéria visível (estrelas, gás, etc.). Há também evidências de que nos diz que quase toda a matéria escura é "não-bariônica" - em outras palavras, não é feita de prótons, nêutrons e elétrons como a matéria ordinária.
Atualmente o melhor palpite da maioria dos cosmologistas é que a matéria escura seja um novo tipo de partícula, chamada de partícula maciça que interage fracamente (WIMP), produzida no Big Bang. Achamos que essas partículas estão ao nosso redor, não apenas no centro da galáxia - na verdade, bilhões dessas partículas podem estar passando através de seu corpo a cada segundo. Pensamos que as WIMP's formam uma grande nuvem (chamado de "halo de matéria escura"), muito maior do que a parte visível da galáxia. Nossa galáxia estaria imersa nesta nuvem, localizada próxima ao centro.
A nuvem provavelmente é mais densa no centro, por isso, esperamos que houvesse mais WIMPs perto do centro galáctico do que na periferia da nuvem, mas a matéria escura deve estar em todos os lugares e não apenas no centro da galáxia. Uma nuvem similar cercaria cada galáxia no Universo, e "super-nuvens" maiores cercam grupos inteiros de galáxias. Claro, nós ainda não temos certeza de que isto ocorre. Muitos grupos de cientistas estão atualmente à procura destas partículas, seja criando-as em aceleradores de partículas ou detectando-as no mundo ao nosso redor. Os cosmólogos também estão ocupados tentando elaborar outras boas explicações para a matéria escura. Esperemos que possamos descobri-las nos próximos anos.
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Jeff Filippini,
Grupo de Cosmologia Berkeley
19-) Existe tal coisa como antimatéria escura?
A resposta curta é que não temos certeza - os cientistas ainda não descobriram do que a matéria escura realmente é feita e por isso ainda não podemos ter certeza se existe uma contraparte de antimatéria escura. No entanto os cientistas têm elaborado um monte de teorias sobre isso.
Nas teorias mais populares, a matéria escura é composta por um novo tipo de partícula elementar, normalmente chamada apenas de partícula massiva de interação fraca ("WIMP"). Essa partícula teria sido criada em grandes números no Big Bang, juntamente com tudo mais que vemos no universo que nos rodeia. Em muitas destas teorias (incluindo a maioria dos modelos derivados da supersimetria), a partícula de matéria escura é a sua própria antipartícula. Isto significa que, se duas WIMPs entrasse em contato uma com a outra, elas poderiam aniquilar-se para produzir apenas energia da mesma maneira como um próton e antipróton
Também é possível que as WIMP's não sejam suas próprias antiparticuas, neste caso o universo poderia ser preenchido com ambos as WIMP's a as anti-WIMP's. A maioria dos teóricos propõe que o Big Bang deve ter produzido matéria e antimatéria em quantidades iguais, por isso não seria estranho encontrar quantidades aproximadamente iguais de WIMP's e anti-WIMP's. Claro, podemos ver que há muito mais matéria comum do que antimatéria no universo em torno de nós, por isso é possível que também possa haver um desequilíbrio entre WIMP's e anti-WIMP's.
Apesar das WIMPs poderem se aniquilar umas com as outras quando elas colidem, as WIMP's interagem umas com as outras apenas de forma fraca, desse modo essas colisões devem ser muito raras. Elas devem acontecer com bastante frequência em locais onde uma grande de WIMP's se agrega como no centro de uma galáxia. Muitos astrônomos estão tentando detectar a matéria escura indiretamente, procurando pela radiação de tais aniquilações próximas dos centros galácticos.
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Jeff Filippini,
Grupo de Cosmologia Berkeley
Se a matéria escura se comporta como uma nuvem de gás de partículas centradas no centro da galáxia, ela deve ser constantemente consumida pelo buraco negro no centro da galáxia. Existe alguma estimativa da taxa de consumo de matéria escura, e essa taxa é comparável ao consumo de matéria comum pelo buraco negro?
Isso é certo - a matéria escura deve ser absorvida juntamente com a matéria comum pelo buraco negro supermassivo no centro da galáxia. No entanto ela não deve ser absorvida mais rapidamente a matéria comum.
Para entender isso, precisamos considerar como a matéria comum cai em buracos negros. O gás cai no buraco negro e forma um disco de acreção: rotação da nuvem de gás quente em forma de disco. O disco é aquecido enormemente pela fricção dentro dessa nuvem. O gás quente libera grandes quantidades de energia na forma de raios-X e outras radiações fazendo-o perder energia orbital e em espiral para dentro, para órbitas mais baixas ao redor do buraco negro até que o gás quente se acabe inteiramente.
A diferença vem da própria propriedade que faz com que a matéria escura seja "escura": é falta de interação com a matéria comum (ou, de fato, com outra matéria escura). Isto significa que partículas de matéria escura não pode facilmente perder energia - eles não experimentam atrito significativo ou emitem radiação. Isto significa que a matéria escura não se junta ao disco de acreção permanecendo em orbitas relativamente grandes em torno do centro da galáxia. Uma vez que não pode perder energia mais rápido o que pode acontecer com a matéria escura é se agregar dentro do buraco negro muito mais lentamente do que a matéria comum.
Para mais detalhes sobre este assunto, você pode encontrar os seguintes links interessantes:
Artigo recente sobre a matéria escura e os buracos negros: http://arxiv.org/abs/0802.2041. Os autores argumentam que apenas ~ 10% da massa de um buraco negro supermassivo vem de matéria escura absorvida.
Resumo deste artigo para:
http://www.universetoday.com/2008/03/08/greedy-supermassive-black-holes-dislike-dark-matter/
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Jeff Filippini,
Grupo de Cosmologia Berkeley
21-) Medimos qualquer efeito gravitacional da matéria escura em nosso sistema solar?
Medimos qualquer efeito gravitacional da matéria escura em nosso sistema solar? As orbitas dos nossos planetas são influenciadas pela matéria escura? Se não há efeitos gravitacionais da matéria escura no sistema solar, por que nós a observamos nas galáxias? É a matéria escura não é uniformemente distribuída no universo?
Estas são perguntas excelentes! Aqui estão as minhas respostas (um pouco fora de ordem):
Matéria escura no Sistema Solar
A matéria escura deve ter efeitos gravitacionais sobre as órbitas dos planetas e em sondas espaciais, mas até agora somos incapazes de detectá-los. No entanto, isso não é surpreendente porque eles estão escondidos por efeitos maiores: as forças gravitacionais do Sol e os dos planetas são muito, muito maiores.
A densidade média da matéria escura próximo ao sistema solar é de aproximadamente da ordem da massa de 1 próton para cada 3 centímetros cúbicos, que é cerca de 6x10-28kg / cm3. A densidade real pode ser um pouco maior ou menor, mas esta ordem de grandeza provavelmente esta correta.
Com base neste número, pode-se estimar a massa total da matéria escura dentro do raio da órbita da Terra ao redor do Sol: para um raio orbital de 100 milhões de km, chegamos a um total de 2.3x1012 kg de matéria escura dentro da órbita da Terra. Isso soa como muito, mas a massa do Sol é 2x1030kg. Tudo que a matéria escura “pesa” é apenas 10-18,em relação ao sol, por isso, não podemos detectar a pequena força da matéria escura em cima da órbita da Terra. A mesma história é verdadeira em todo o sistema solar: as forças gravitacionais do Sol e os planetas são sempre muito maiores do que a da matéria escura.
A matéria escura na Galáxia.
Agora, considere o efeito da matéria escura em cima da órbita do sol em torno do centro da galáxia. Vamos supor que a densidade da matéria escura seja a mesma em toda a galáxia; isso não é verdade (a densidade é muito maior perto do centro da galáxia), de modo que a massa da matéria escura vai ser realmente maior do que calculamos.
O raio da órbita do Sol é de cerca de 2,5x1017 km, de modo que a massa total de matéria escura dentro dessa órbita é 6x10 40 kg. Esta é a massa de 3x10 10 (30 bilhões) de estrelas como o sol! A galáxia inteira contém apenas ~ 100 bilhões de estrelas, de modo que a matéria escura tem um efeito significativo sobre a órbita do sol através da galáxia. Para objetos mais distantes, perto da borda da galáxia, a matéria escura é realmente o principal componente que os mantêm em suas órbitas. Foi mais ou menos assim que a matéria escura foi descoberta pela astrônoma Vera Rubin e outros: as velocidades orbitais de estrelas galácticas e nuvens de gás não corresponderiam com as expectativas da matéria visível.
Em outras palavras, uma galáxia é muito inferior em densidade de energia do sistema de solar, de modo que a pequena densidade de matéria escura torna-se muito mais importante.
Distribuição da matéria escura.
A matéria escura não está distribuída uniformemente no espaço. A galáxia esta incorporada em uma grande nuvem de matéria escura e a gravidade da nuvem torna esta mais densa no centro do que nas bordas. A densidade varia lentamente ao longo de muitos anos-luz, embora algumas teorias sugerissem que poderia haver "blocos" de densidade escalas menores.
Questão respondida por
Jeff Filippini,
Grupo de Cosmologia Berkeley