Definição
O que podemos ver no céu a olho nu ou com instrumentos ópticos é apenas uma pequena fração do que conhecemos como universo. Por quê? O resto do universo não emite nenhum tipo de luz em nenhum espectro que possamos detectar; no entanto, a presença desta matéria e energia é detectada pelo efeito que tem sobre outra matéria no universo. Quando a luz das estrelas passa por uma região com matéria escura, a luz se distorce e se curva, fazendo com que a estrela apareça em um local diferente no espaço. Isso é chamado de lente gravitacional , um efeito geralmente associado à matéria normal. Os cientistas detectaram lentes gravitacionais em regiões onde não há matéria normal, levando-os a concluir que a matéria escura está presente. Este material vem em duas formas: matéria escura eenergia escura . A matéria escura e a energia escura são os grandes mistérios científicos da cosmologia , o estudo da origem do universo, entre outras coisas.
Em 2008, após cinco anos coletando dados do espaço, os cientistas desenvolveram uma teoria que detalha a composição do universo. De acordo com os dados, quase 95% do universo é uma combinação de matéria escura e energia escura, com 68% de energia escura e 27% de matéria escura. Apenas 5% do universo é matéria normal. A matéria normal é bariônica, composta de prótons e nêutrons. A matéria normal também absorve ou emite radiação e, portanto, pode ser detectada. Então, por que a matéria escura é escura? É chamado escuro porque não é luminosomatéria: não emite nem absorve nenhum tipo de radiação que atualmente possamos detectar. Portanto, qualquer tipo de instrumentação tradicional seria apenas um espaço vazio. O que é energia escura? As teorias atuais especulam que a energia escura é uma propriedade do espaço. O espaço vazio não é apenas nada, algo que Albert Einstein reconheceu primeiro. A energia escura é, portanto, considerada a energia do espaço vazio.
O que é matéria escura?
A ideia da matéria escura surgiu quando cientistas teóricos tentavam criar um modelo da composição do universo. Até 1998, não parecia haver massa suficiente no universo para se ajustar às teorias atuais que sugeriam que cerca de 32% do universo deveria ser feito de matéria. Teorias mais recentes sugerem que o universo é composto de 5% de matéria, então o que dizer dos 27% restantes? Para corrigir essa discrepância, os cientistas desenvolveram a ideia da matéria escura .
O que a matéria negra não é
Descrever o que exatamente é a matéria escura pode ser difícil; na verdade, é mais fácil explicar o que não é. Para exemplificar, a matéria é composta de bárions , um grupo de partículas que inclui prótons e nêutrons . Mas, a matéria escura não é composta de bárions. Por quê? Os barions produzem nuvens bariônicas que absorvem radiação quando a radiação passa por eles. Essa absorção seria detectável se a matéria escura fosse de fato composta por bárions. A matéria escura também não é antimatéria. Se fosse, seríamos capazes de detectar a radiação gama emitida quando a matéria e a antimatéria se aniquilam. A matéria escura também não é uma série de buracos negros. Buracos negros causam lentes gravitacionais, um fenômeno que faz com que a luz de estrelas distantes se curve, fazendo com que apareçam como se fossem originários de uma localização diferente no universo. Simplesmente não há lentes gravitacionais suficientes observadas para perfazer 27% do universo.
Como você pode ver, é mais fácil dizer o que não é matéria escura do que o que é matéria escura. Existem alguns candidatos por aí que podem ser considerados matéria escura. Um dos candidatos iniciais foi chamado de objetos halo compactos massivos, ou MACHOs. MACHOs são pequenos pedaços de matéria bariônica (muito menores que uma estrela) que simplesmente vagam no espaço interestelar. Eles não emitem nenhuma luz; portanto, eles seriam difíceis de detectar. No entanto, teorias mais recentes sugerem que MACHOs não são abundantes o suficiente para explicar a quantidade de matéria escura no universo. Além disso, não há bárions suficientes para formar a matéria escura se a matéria escura fosse bariônica. Como a matéria escura não é bariônica, os MACHOs foram descartados como candidatos à matéria escura.
Possíveis candidatos à matéria escura
As teorias atuais sugerem que partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs, são os principais candidatos para matéria escura. WIMPs são partículas subatômicas não feitas de matéria comum. Eles têm massa e interagem fracamente com a matéria, o que significa que passam principalmente pela matéria comum. Três partículas são propostas para serem WIMPs: neutrinos, axions e neutralinos.
Neutrinos foram criados para ajudar com a teoria das interações de partículas. Inicialmente foi teorizado que eles não tinham massa, mas desde então foi descoberto que eles têm massa. No entanto, o neutrino tem uma massa tão pequena que os neutrinos sozinhos não poderiam contribuir com 100% da massa total de matéria escura. Axions são partículas que também foram propostas para preencher uma lacuna em uma teoria: a ausência de um momento de dipolo elétrico de um nêutron. Eles também têm uma pequena massa e não teriam sido criados em grandes quantidades durante o ‘big bang’. Portanto, a matéria escura não poderia ser completamente composta de axions. Neutralinossão partículas propostas como parte de uma teoria que tenta unificar todas as forças fundamentais da natureza (também conhecidas como supersimetria). Essas partículas são partículas muito massivas, com massas de até 5.000 vezes a massa do próton. Essas três partículas combinadas são atualmente as principais candidatas à matéria escura.
O que é energia escura?
O universo é composto principalmente de energia escura. Na verdade, cerca de 68% do universo é energia escura, de acordo com as teorias atuais. A energia escura é proposta como uma propriedade do espaço. Existem quatro explicações possíveis para a energia escura. Albert Einstein foi o primeiro a considerar o conceito de energia escura em sua teoria da gravidade, onde propôs que o espaço vazio pode possuir sua própria energia. Essa energia seria diluída conforme o universo se expande, e conforme o universo se expande, haverá mais espaço e, portanto, mais desta energia escura. Essa energia também faria com que o universo se expandisse cada vez mais rápido. A física quântica propõe uma explicação alternativa para a energia escura. Nesta versão, as chamadas partículas virtuais aparecem e desaparecem no espaço vazio o tempo todo. No entanto, o cálculo desta energia saiu muito alto.
Existem duas teorias adicionais sobre a energia escura. Em uma dessas teorias, a energia escura é um fluido ou campo de energia dinâmica chamado quintessência . Esta quintessência é proposta para ter o efeito oposto exato sobre a expansão do universo do que matéria e energia regulares. No entanto, essa quintessência nunca foi observada, nem existem métodos lá fora concebidos para detectar essa energia. Finalmente, existe uma proposta que diz que talvez a teoria da gravidade de Einstein esteja errada e deva ser modificada para levar em consideração dados e observações atuais. Ninguém ainda apresentou uma teoria da gravidade modificada.
Resumo da lição
Sabemos muito pouco sobre a matéria escura e a energia escura porque elas se comportam de maneira muito diferente da energia e da matéria que estamos acostumados a medir. Nós sabemos o que a matéria escura não é. Não é matéria bariônica (composta de prótons e nêutrons), nem é antimatéria, nem é um buraco negro. Objetos halo compactos massivos (MACHOs), que são pedaços de matéria bariônica que vagueiam no espaço interestelar e afetam outra matéria próxima, já foram considerados candidatos à matéria escura, mas desde então foram descontados como matéria escura porque são bariônicos.
Partículas massivas de interação fraca (WIMPs), que são partículas com massa que interagem fracamente com outros tipos de matéria, são atualmente consideradas as principais candidatas a serem matéria escura. Existem três tipos de WIMPs: neutrinos, axions e neutralinos. Além disso, a matéria escura não é energia escura. A energia escura é a energia do espaço vazio. Existem teorias propostas para explicar a energia escura, mas nenhuma dessas teorias explica com sucesso ou com precisão a existência dessa energia e seu efeito na expansão do universo. Portanto, a partir de hoje, tanto a matéria escura quanto a energia escura permanecem como mistérios científicos.
Vocabulário e definições
Lente gravitacional é quando a luz das estrelas passa por uma região com matéria escura, a luz se distorce e se curva, fazendo com que a estrela apareça em um local diferente no espaço.
A matéria escura pode ser partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs, mas permanece um mistério científico na cosmologia.
A energia escura é proposta como uma propriedade do espaço, e há quatro explicações possíveis para a energia escura. Isso também permanece um mistério científico na cosmologia.
Cosmologia é o estudo da origem do universo, entre outras coisas.
Bárions é um grupo de partículas que inclui prótons e nêutrons.
Neutrinos têm uma pequena massa e foram criados para ajudar na teoria das interações de partículas.
Axions são partículas que também foram propostas para preencher uma lacuna em uma teoria: a ausência de um momento de dipolo elétrico de um nêutron.
Neutralinos são partículas massivas propostas como parte de uma teoria que tenta unificar todas as forças fundamentais da natureza.
Quintessência é a energia escura, é um fluido ou campo de energia dinâmica.
Resultados de Aprendizagem
Depois de revisar esta lição, você será capaz de:
- Descreva a relação entre matéria escura e energia escura
- Resuma possíveis candidatos de matéria escura
- Explique o que sabemos que a matéria escura não é