A matéria escura é o material misterioso que preenche o universo, mas ninguém nunca viu

A matéria escura é distribuída no universo em um padrão semelhante a uma rede. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech

Mais de 80% de toda a matéria no universo é composta de materiais que os cientistas nunca viram. Chama-se matéria escura e só assumimos que existe porque, sem ela, o comportamento das estrelas, planetas e galáxias simplesmente não faria sentido. Veja agora o que sabemos sobre isso, ou melhor, o que pensamos que sabemos. 

O QUE É MATÉRIA ESCURA E POR QUE É INVISÍVEL?

A matéria escura é completamente invisível. Não emite luz ou energia e, portanto, não pode ser detectada por sensores e detectores convencionais. A chave para sua natureza indescritível deve estar em sua composição, consideram os cientistas.

A matéria visível, também chamada de matéria bariônica, consiste em bárions, um nome abrangente para partículas subatômicas, como prótons, nêutrons e elétrons. Os cientistas apenas especulam do que a matéria escura é feita. Pode ser composta de bárions, mas também pode ser não-bariônico, ou seja, composto por diferentes tipos de partículas.

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

Os neutrinos estéreis são outro candidato. Neutrinos são partículas que não compõem a matéria regular. Um rio de neutrinos flui 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 normal por meio da gravidade.

“Uma das questões pendentes é se existe um padrão para as frações que entram em cada espécie de neutrino”, disse Tyce DeYoung, professor associado de física e astronomia da Michigan State University e colaborador do observatório de neutrinos IceCube na Antártida.

O áxion neutro menor e os fotinos não carregados, ambas partículas teóricas, também são espaços reservados em potencial para a matéria escura.

Existe também uma coisa chamada antimatéria, que não é o mesmo que matéria escura. A antimatéria consiste em partículas que são essencialmente iguais às partículas de matéria visível, mas com cargas elétricas opostas. Essas partículas são chamadas de antiprótons e pósitrons (ou antielétrons). Quando as antipartículas encontram as partículas, ocorre uma explosão que leva os dois tipos de matéria a se anularem. Como vivemos em um universo feito de matéria, é óbvio que não há tanta antimatéria por aí, senão não sobraria nada. Ao contrário da matéria escura, os físicos podem realmente fabricar antimatéria em seus laboratórios.

POR QUE ACHAMOS QUE A MATÉRIA ESCURA EXISTE?

Mas se não podemos ver a matéria escura, como sabemos que ela existe? A resposta é a gravidade, a força exercida por objetos feitos de matéria que é proporcional à sua massa. Desde a década de 1920, os astrônomos levantaram a hipótese de que o universo deve conter mais matéria do que podemos ver porque as forças gravitacionais que parecem estar em jogo no universo simplesmente parecem mais fortes do que a matéria visível sozinha poderia explicar.

"Os movimentos das estrelas dizem quanta matéria existe", disse Pieter van Dokkum, pesquisador da Universidade de Yale, em um comunicado. "Elas não se importam com a forma da matéria, elas apenas dizem que está lá." 

Astrônomos examinando galáxias espirais na década de 1970 esperavam ver material no centro se movendo mais rápido do que nas bordas externas. Em vez disso, eles descobriram que as estrelas em ambos os locais viajaram na mesma velocidade, indicando que as galáxias continham mais massa do que poderia ser visto.

Estudos de 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 contivessem fosse a massa visível para medições astronômicas convencionais.

Diferentes galáxias parecem conter diferentes quantidades de matéria escura. Em 2016, uma equipe liderada por Van Dokkum encontrou uma galáxia chamada Dragonfly 44, que parece ser composta quase inteiramente de matéria escura. Por outro lado, desde 2018, os astrônomos descobriram várias galáxias que parecem não ter matéria escura. 

A força da gravidade não afeta apenas as órbitas das estrelas nas galáxias, mas também a trajetória da luz. O famoso físico Albert Einstein mostrou no início do século 20 que objetos massivos no universo dobram e distorcem a luz devido à força de sua gravidade. O fenômeno é chamado de lente gravitacional. Ao estudar como a luz é distorcida por aglomerados de galáxias, os astrônomos conseguiram criar um mapa da matéria escura no universo.

A grande maioria da comunidade astronômica hoje aceita que a matéria escura existe. 

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

Apesar de todas as evidências apontando para a existência de matéria escura, também existe a possibilidade de que tal coisa não exista e que as leis da gravidade que descrevem o movimento dos objetos dentro do sistema solar precisem de revisão.

A matéria escura parece estar espalhada 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 da existência de matéria escura e energia escura.  Crédito da imagem: WGBH

DE ONDE VEM A MATÉRIA ESCURA?

A matéria escura parece estar espalhada 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 age da mesma forma dentro e fora do nosso sistema solar, os pesquisadores fornecem evidências adicionais da existência da matéria escura. (As coisas são ainda mais complicadas, pois além da matéria escura também parece haver energia escura, uma força invisível responsável pela expansão do universo que age contra a gravidade).

Mas de onde vem a matéria escura? A resposta óbvia é que não sabemos. Mas existem algumas teorias. Um estudo publicado em dezembro de 2021 no The Astrophysical Journal, argumenta que a matéria escura pode estar concentrada em buracos negros, os poderosos portões para o nada que, devido à extrema força de sua gravidade, devoram tudo ao seu redor. Como tal, a matéria escura teria sido criada no Big Bang junto com todos os outros elementos constituintes do universo como o vemos hoje. 

Acredita-se que remanescentes estelares, como anãs brancas e estrelas de nêutrons, contenham grandes quantidades de matéria escura, e também as chamadas anãs marrons, estrelas fracassadas que não acumularam material suficiente para iniciar a fusão nuclear em seus núcleos.

Matéria escura no centro de uma galáxia. Crédito da imagem: Mattia Di Mauro (ESO/Fermi-Lat)

COMO OS CIENTISTAS ESTUDAM A MATÉRIA ESCURA?

Já que não podemos ver a matéria escura, podemos realmente estudá-la? Existem duas abordagens para aprender mais sobre essas coisas misteriosas. Os astrônomos estudam a distribuição da matéria escura no universo observando o agrupamento de material e o movimento de objetos no universo. Os físicos de partículas, por outro lado, estão em busca de detectar as partículas fundamentais que compõem a matéria escura. 

Um experimento montado na Estação Espacial Internacional chamado Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) detecta antimatéria em raios cósmicos. Desde 2011, foi atingido por mais de 100 bilhões de raios cósmicos, fornecendo informações fascinantes sobre a composição das partículas que atravessam o universo. 

“Medimos um excesso de pósitrons [a contraparte da antimatéria de um elétron], e esse excesso pode vir da matéria escura”, disse Samuel Ting, cientista-chefe da AMS e ganhador do Prêmio Nobel do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. "Mas, neste momento, ainda precisamos de mais dados para garantir que sejam da matéria escura e não de algumas fontes estranhas da astrofísica. Isso exigirá que corramos mais alguns anos."

De volta à Terra, sob uma montanha na Itália, o XENON1T do LNGS está procurando por sinais de interações após WIMPs colidirem com átomos de xenônio. 

“Uma nova fase na corrida para detectar 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 comunicado. "Estamos orgulhosos de estar na vanguarda da corrida com este detector incrível, o primeiro de seu tipo."

O Large Underground Xenon Dark Matter Experiment (LUX), localizado em uma mina de ouro em Dakota do Sul, também tem procurado sinais de interações WIMP e xenônio. Mas até agora, o instrumento não revelou a misteriosa substância.

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

O Observatório de Neutrinos IceCube, um experimento enterrado sob a superfície congelada da Antártida, está caçando os hipotéticos neutrinos estéreis. Os neutrinos estéreis só interagem com a matéria regular através da gravidade, tornando-se um forte candidato à matéria escura.

Experimentos com o objetivo de detectar partículas de matéria escura indescritíveis também são realizados nos poderosos colisores de partículas da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN) na Suíça.

Vários telescópios orbitando a Terra estão caçando os efeitos da matéria escura. A espaçonave Planck da Agência Espacial Europeia , aposentada em 2013, passou quatro anos no Ponto Lagrangeano 2 (um ponto na órbita ao redor do Sol, onde uma espaçonave mantém uma posição estável em relação à Terra), mapeando a distribuição da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, uma relíquia do Big Bang, no universo. Irregularidades na distribuição deste fundo de micro-ondas revelaram pistas sobre a distribuição da matéria escura. 

Em 2014, o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA fez mapas do coração de nossa galáxia, a Via Láctea, em luz de raios gama, revelando um excesso de emissões de raios gama que se estendem 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”, disse o principal autor Dan Hooper, astrofísico do Fermilab em Illinois.

O excesso pode ser explicado por aniquilações 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.

O Telescópio Espacial James Webb, lançado após 30 anos de desenvolvimento em 25 de dezembro de 2021, também deve contribuir para a busca pela substância indescritível. Com seus olhos infravermelhos capazes de ver até o início dos tempos, o telescópio do século não será capaz de ver a matéria escura diretamente, mas através da observação da evolução das galáxias desde os primeiros estágios do universo, espera-se fornecer insights que antes não eram possíveis.  

RECURSOS ADICIONAIS

Você pode ler mais sobre a matéria escura no site do Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), que realiza experimentos de alta energia em colisores de partículas de ponta com o objetivo de descobrir partículas que preencheriam as lacunas em nossa compreensão do universo. A Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN), o maior laboratório de física de partículas do mundo, também está em busca de partículas de matéria escura perdidas. A NASA discute a diferença entre matéria escura e energia escura neste artigo.

BIBLIOGRAFIA

• NASA, Energia Escura, Matéria Escura: https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy
• Clegg, B. Dark Matter and Dark Energy: The Hidden 95% of the Universe, Icon Books, agosto de 2019 CERN, Matéria Escura: https://home.cern/science/physics/dark-matter

Este artigo foi atualizado em 30 de janeiro de 2022 pelo editor sênior da Gaia Ciência.

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Referência:

TILLMAN, Nola Taylor. What Is Dark Matter? Space, 28, jan. 2022. Disponível em: <https://www.space.com/20930-dark-matter.html#section-where-does-dark-matter-come-from>. Acesso em: 30, jan. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.