Os astrônomos sabem que as galáxias em todo o universo estão se comportando mal. Algumas estão girando muito rápido, enquanto outras estão muito quentes e outras ainda se aglomeram em superestruturas muito rapidamente.

Poderiam as teorias da gravidade modificadas explicar o comportamento bizarro das galáxias e até mesmo do universo como um todo? Mostrado aqui, uma enorme galáxia de disco chamada Wolfe Disk. Crédito da imagem: NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello

Veja também:

• O que é a constante de Hubble?
• Radiação Cósmica de Fundo (CMB): Antecedentes da Microonda Cósmica
• O que é Espaço-Tempo?
• A escada da distância cósmica: como medimos um universo infinito

Mas eles não sabem por quê. Talvez alguma nova partícula oculta, como matéria escura pudesse explicar a estranheza. Ou talvez a gravidade esteja agindo sobre esses aglomerados de estrelas de uma maneira que os cientistas não esperavam.

Por décadas, os astrônomos debateram as possibilidades. Enquanto a maioria dos astrônomos acredita que a matéria escura exista, alguns ainda pensam que precisamos modificar nossa teoria da gravidade. No entanto, uma nova pesquisa encontrou uma falha crítica nas teorias da gravidade modificada: elas permitem que os efeitos ocorram sem causas e que a informação viaje mais rápido do que a velocidade da luz. Isso é ruim... para gravidade modificada.

"Isso pode mudar essa... área de pesquisa consideravelmente, forçando-a em novas direções", disse o pesquisador-chefe e astrofísico da Tufts University, Mark Hertzberg.

Frio, mas não muito frio

Algo engraçado está acontecendo no universo. Por exemplo, com base no que os cientistas preveem com base nas massas das galáxias, as estrelas orbitam em torno de seus centros muito rapidamente; a temperatura do gás dentro dos aglomerados de galáxias é muito alta; e grandes estruturas apareceram em nosso universo muito cedo.

Em escalas galácticas e cosmológicas, ou a compreensão dos astrônomos sobre a força da gravidade está totalmente errada, ou há um novo ingrediente em nosso universo que exerce a gravidade, mas de outra forma e invisível. A última ideia é conhecida como matéria escura fria (MDL), que é o nome dado a uma forma hipotética de matéria ainda desconhecida da física. O "frio" está aí para notar que qualquer partícula exótica que possa ser responsável pela matéria escura, ela se move relativamente devagar, em contraste com outros candidatos potenciais de matéria escura como o neutrino, um exemplo de um candidato as partículas quentes de matéria escura.

"Se alguém desistir dos princípios de causalidade e localidade, isso significa que somos essencialmente incapazes de explicar a estrutura do Modelo Padrão de Física de Partículas e a Relatividade Geral."

Mark Hertzberg, Universidade Tufts

Ao preencher as galáxias com uma forma de matéria que é invisível à luz, a hipótese do MDL é extremamente bem-sucedida em explicar a maioria das observações das galáxias e do universo maior. É de longe a explicação mais comumente aceita de por que o universo se comporta dessa maneira.

Mas a hipótese do MDL não é perfeita. Seja o que for, está fora do modelo padrão da física de partículas, o que significa que não temos ideia do que seja. Além disso, tem dificuldade em explicar algo chamado de relação Tully-Fisher bariônica. A relação observada mostra que a massa total da matéria normal, chamada matéria bariônica de uma galáxia é proporcional à quarta potência da velocidade de rotação. Mas os modelos do MDL preveem que a relação deve ser com a terceira potência, prevendo que as galáxias giram mais devagar para uma certa quantidade de massa do que realmente fazem.

O que mais poderia estar acontecendo?

Esta fotografia do Telescópio Espacial Hubble mostra a majestosa galáxia espiral UGC 2885, localizada a 232 milhões de anos-luz de distância, na constelação norte de Perseu. A galáxia é apelidada de galáxia de Rubin em homenagem a Vera Rubin, que mediu a rotação da galáxia, o que fornece evidências para a matéria escura.  Crédito da imagem: NASA, ESA e B. Holwerda (University of Louisville)

Tout le MOND

Uma alternativa para toda a ideia do MDL é uma compreensão modificada da gravidade. Os modelos mais simples se enquadram em uma classe chamada MOND, para Modified Newtonian Dynamics. Esses modelos substituem a física newtoniana (pense em Força = massa x aceleração) por outras relações que correspondem à taxa de rotação observada de estrelas dentro das galáxias. Embora esses modelos fossem populares quando a matéria escura foi descoberta pela primeira vez nas décadas de 1970 e 1980, eles falharam em levar em conta as observações dos aglomerados de galáxias e do universo maior; como tal, a maioria dos cientistas quase rejeitou esses modelos.

Mas as inadequações do CDM para explicar a dinâmica galáctica interna fornecem uma abertura para a sobrevivência do MOND. Se uma teoria "MONDiana" deseja competir no palco galáctico, entretanto, ela deve ser compatível com nossas outras teorias da física, como a teoria da relatividade especial e a mecânica quântica. Então foi exatamente isso que Hertzberg e sua equipe se propuseram a fazer. Os resultados dos estudos foram publicados em maio no banco de dados de pré-impressão arXiv, portanto, o estudo não foi revisado por pares.

"A única possibilidade de obter algo novo [dentro da estrutura da relatividade e da mecânica quântica] é adicionar novos graus de liberdade", disse Hertzberg. Em outras palavras, para fazer as teorias MONDiana funcionarem com a física conhecida, você precisa adicionar um monte de coisas frágeis às teorias. Ao examinar essa coisa frágil, Hertzerg e colaboradores encontraram "alguns problemas teóricos à espreita nessas tentativas."

Local e causal

Por exemplo, Hertzberg e seus colaboradores examinaram se as teorias MONDiana protegem dois princípios: localidade e causalidade. Localidade é o conceito de que os objetos são influenciados diretamente apenas por seus arredores, para que um objeto influencie outro, ele deve transmitir essa influência por meio de algo como uma força que viaja a uma velocidade finita. Causalidade é a noção simples de que todos os eventos têm uma causa.

Se uma teoria viola a localidade e/ou causalidade, é improvável que se encaixe em nossas teorias da física, que protegem ambos os princípios

"Se alguém desistir dos princípios de causalidade e localidade, isso significa que somos essencialmente incapazes de explicar a estrutura do Modelo Padrão da Física de Partículas e Relatividade Geral, visto que são alguns dos princípios centrais que entram na construção dessas teorias em primeiro lugar", disse Hertzberg. "Em outras palavras, se a causalidade fosse gravemente quebrada na natureza, provavelmente já teríamos visto isso em várias correções da física de partículas no laboratório ou em testes de gravidade no espaço."

Em outras palavras, já deveríamos ter notado.

Uma vez que todas as evidências disponíveis indicam que a localidade e a causalidade são preservadas (pelo menos em escalas macroscópicas), elas devem ser obedecidas por qualquer nova teoria da física. A equipe de físicos colocou as teorias MONDiana em teste e descobriu que elas contêm características que permitem a não localidade e a causalidade. Em outras palavras, se as teorias MONDianas estiverem corretas, então é possível que eventos ocorram sem uma causa e que os efeitos viajem instantaneamente, o que viola o limite de velocidade da luz no universo.

"Uma vez que descobrimos que as propostas existentes para a matéria escura radicalmente nova e teorias do tipo MOND têm alguma forma de causalidade, isso sugere que elas podem não estar embutidas na física fundamental, pelo menos em sua forma atual", disse Hertzberg.

O fim do MOND?

De fato, pode ser possível que a localidade e a causalidade sejam violadas em escalas galácticas, mas isso seria extremamente difícil de reconciliar com tudo o mais que sabemos sobre física.

Quanto ao futuro das teorias MONDiana, especulou Hertzberg, "motiva tentativas de tentar construir algumas classes de modelos semelhantes que de alguma forma mantêm a causalidade, mas isso parece difícil de alcançar. Em nosso artigo, mostramos que uma forma generalizada desses modelos falha os testes acima para consistência."

Ainda assim, o paradigma da "matéria escura fria" tem dificuldade em explicar os detalhes da física galáctica. Mas pode haver razões muito mais mundanas para isso, em vez de derrubar toda a física conhecida. É muito difícil modelar como as galáxias se formam e evoluem, mesmo levando em consideração todos os processos confusos em que a matéria normal desempenha seu papel. Talvez, uma compreensão mais sofisticada das galáxias forneça uma explicação para a relação Tully-Fisher bariônica observada.

E o CDM é de longe a melhor explicação que temos.

"O que é ótimo sobre o MDL é que ele está teoricamente em terreno firme e passa em todos os testes de consistência teórica acima, embora não faça parte do Modelo Padrão de Física de Partículas", disse Hertzberg. "A razão pela qual digo que está em terreno firme é que não há nenhuma razão teórica conhecida para que não haja algumas partículas estáveis ??e neutras no universo que não se acoplam muito a nós. Portanto, o MDL é reforçado, pois agora, como a ideia principal."

Originalmente publicado em Live Science.