Eu tinha prometido ao Marco, do Bitaites, um post longo e chato sobre astronomia. Ele cobrou aqui. E como não quero ficar mal perante um blogger que tem mais de 5000 visitas diárias, cá estou eu para cumprir. Tinha-lhe dito que faria um post acerca de um assunto sobre o qual tenho que, conjuntamente com 2 colegas, fazer um trabalho para uma cadeira… mas para falar sobre isso (Modified Newtonian Dynamics) parece-me razoável que faça primeiro um texto sobre matéria negra.
Por isso, e aos astrónomos e futuros astrónomos que cá vão dando uns saltos para ver o que eu escrevo, peço que me digam quais as asneiras, se as cometer, do texto seguinte para que as vá corrigindo… E se com este texto começar a escorraçar a clientela cá da tasca, culpo o Bitaites e o seu responsável, peço uma indemnização avultada por danos morais, e faço uma jantarada bem regada.

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Por volta de 1933, andava um tal de F. Zwicky a fazer contas partindo do teorema do virial para calcular a massa de grandes aglomerados de galáxias. O que descobriu foi que a massa calculada através dos métodos de dispersão de velocidade e da relação massa/luminosidade de galáxias individuais era bastante superior à que era teoricamente esperada. Logo nessa altura começou a circular a ideia de que poderia existir algum tipo de matéria não “visível” ou mensurável pela instrumentação existente, que existiria em quantidade suficiente para que a física usada nos cálculos não necessitasse de ser reescrita. Nasceu aí o conceito de matéria negra.
40 anos mais tarde, mediram-se as curvas de rotação galácticas utilizando estrelas e nuvens de gás hidrogénio neutro como partículas teste. Graficamente, o resultado obtido foi o seguinte:


Interpretando o gráfico, o que se depreende é que quando nos afastamos do centro galáctico verificamos que a velocidade de rotação da galáxia tende para um valor constante… Segundo as leis Keplerianas e Newtonianas isso não deveria acontecer. Na verdade, as leis que regem o movimento de corpos no espaço previam que quanto mais nos afastássemos do centro galáctico, menor seria a velocidade de rotação (por exemplo dos braços de uma espiral) devido à diminuição de massa proporcional à distância ao centro galáctico.
Os astrónomos e físicos interpretaram este fenómeno como a prova de que existia matéria negra em grandes quantidades nos halos que circundam as galáxias.

Outro ponto que parece provar a real existência desta estranha matéria é o de que ela torna precisa a teoria inflacionária que é parte integrante do modelo cosmológico padrão (o tal que diz que isto começou tudo com um big-bang). Esta teoria promove a ideia de que a densidade média do Universo tem um valor elevado, valor esse que não pode ser atingido apenas e só com a matéria “luminosa” que conhecemos e que os nossos sentidos e instrumentos captam. Terá, forçosamente, de existir algo mais… a matéria negra.

Mas, de que é constituída esta matéria? Quais as suas características? Como é que a podemos detectar?
A primeira coisa que é fácil de perceber, é que tal como o nome indica, esta matéria é “negra”, não tem luminosidade… isto é, independentemente da banda do espectro em que observemos, não vamos detectar riscas de emissão ou absorção por parte do material que a compõe.
Mas então, como é que podemos inferir a sua existência? Como é que podemos ter provas de que isto não é apenas um exercício de cálculo por parte dos físicos e astrónomos para que as suas fórmulas e leis estejam correctas (um bocado na onda daquilo que aconteceu durante séculos quando se dizia que o Universo estava cheio de um material a que chamaram éter, que continha as características ideais para complementar as falhas dos cálculos da altura)?
Talvez a melhor prova provenha de uma coisa chamada “gravitational lensing”. Einstein previu que a gravidade não fosse mais do que uma deformação no tecido do espaço-tempo, e que corpos muito massivos provocavam maiores deformações nesse tecido do que corpos pouco massivos.
Tentando trocar isto por miúdos, a maneira mais fácil de imaginar isto é pegar num lençol, estender o mesmo, estica-lo e colocar-lhe uma bola de bilhar no seu centro. O lençol deforma-se na zona da bola, certo? Se agora atirarem um berlinde a passar perto da bola de bilhar, o que acontece ao berlinde é que ele sofre um desvio na sua trajectória devido à inclinação do tecido do lençol. Se colocarmos, em vez de uma bola de bilhar, uma bola de bowling, o lençol ficará muito mais deformado. Se atirarmos agora um berlinde na mesma direcção que tínhamos feito antes, verificamos que este sofre um desvio na sua trajectória muito superior do que no primeiro caso.
Agora imaginemos que o berlinde é um fotão, partícula responsável pelo “transporte de luz”, e que a bola de bowling é uma galáxia. Se a bola de bowling estiver exactamente a meio entre a nossa posição e o local de onde aparece o berlinde, não é suposto conseguirmos observar de onde o berlinde “nasce”… no entanto, e devido à curvatura do lençol, o berlinde pode sofrer um desvio de tal ordem que acabe por “vir ter connosco”. Sendo o berlinde o tal fotão, o que nós vamos obter é um raio de luz, deflectido devido às interferências gravíticas que sofre durante a sua viagem, e que nos dá a imagem do objecto de onde partiu. Esta técnica é usada em astronomia para se obter imagens de objectos “tapados” por corpos gigantes (como galáxias ou mesmo enxames de galáxias).


E onde fica a matéria escura nisto tudo? Até é simples… é que se não existisse matéria escura em torno das galáxias ou clusters de galáxias, muitas das observações já feitas através desta técnica não teriam sido possíveis devido à falta de massa dos corpos para conseguir deformar o espaço-tempo de forma a deflectir a luz da forma que o faz.

Mas agora que já sabemos que muito provavelmente a matéria negra existe realmente, interessa saber de que é constituída… Mas aqui já a coisa começa a ser mais complicada…
É que a matéria, tal como a conhecemos, é constituída por protões e neutrões (pertencentes uma classe chamada bariónica, da qual podem encontrar uma listagem na wikipedia), mas a matéria negra pode tornar-se um caso bem mais bicudo porque pode muito bem ser constituída por partículas não-bariónicas… e aí as provas por gravitational lensing tornam-se muito menos importantes do que se supunha porque neste tipo de observações, apenas a matéria bariónica é responsável pelo efeito de deformação de espaço-tempo que está descrito acima.
E o que são partículas não-bariónicas?
Existem uns quantos candidatos a pertencer a esta classe… partículas tão “banais” como os neutrinos, fotões ou electrões livres, ou outras bem mais exóticas, como partículas super-simétricas, axiões ou até buracos negros.

Existe ainda uma distinção clara entre mais duas (até já se fala numa terceira, mas é uma hipótese que não coloco aqui) classes de matéria negra. A quente e a fria. Ambas as classes proporcionam modelos de formação de estruturas cósmicas diferentes, sendo que a matéria negra fria é a que mais se ajusta a um modelo explicativo de formação de estruturas de larga escala, enquanto que a quente não pode ser tão abundante devido ao facto de “barrar” a formação de galáxias a redshifts mais elevados (ou seja, em tempos mais primordiais da formação do universo).


Fazendo um breve resumo do texto, as conclusões que se podem retirar são que:

– A matéria negra pode representar cerca de 22% da massa total do universo. Isto não significa, de forma alguma, que a matéria “luminosa” represente os 78% restantes. Aliás, para ser mais preciso, supõe-se que apenas 4% da massa total seja resultante desse tipo de matéria, sendo que 74% sejam resultantes de outra coisa bem distinta que é a energia negra
– Grande parte da matéria negra encontra-se nos halos galácticos.
– Partículas bariónicas representam grande parte da matéria negra (dos 26% de massa total do universo compostos por matéria negra e matéria.”luminosa”, pensa-se que as partículas bariónicas representem 20%).
– Matéria negra fria é bastante provável. Este tipo de matéria representa a melhor hipótese explicativa da formação de estruturas cósmicas (de grande escala) desde os primórdios do universo.

Problemas resultantes da existência desta matéria negra também os há… Embora esta matéria nos dê um bom modelo de ajuste a fenómenos até agora incompreendidos, a precisão obtida na medição de velocidades de rotação galácticas (especialmente em enxames de galáxias) não permitem, de forma alguma, deixar de lado a hipótese de que estamos ainda muito longe de perceber a verdadeira composição do nosso universo. E aí entram outras teorias como a MOND (Modified Newtonian Dynamics), ou mais recentemente, a revisão relativista da mesma à qual se deu o nome de Tensor-vector-scalar gravity.
Mas isso… talvez um dia mais tarde me lembre de escrever sobre elas.

Comments ( 3 )

  1. ReplyJC Barros
    Que grande pincel, sim senhor. Prometido e cumprido. O que vale é qeu assim como assim eu até sou um tipo que se interessa por estas coisas.
    Agora a minha pergunta é: Se eu ler isto tudo até ao fim, posso dizer que fiz mais uma cadeira?
    :P
  2. ReplyPaulo Costa
    Mas tu agora não és mais virado para outras áreas?
    Ou continuas a ser um gajo com gosto na astronomia mas que foi para outro curso porque teve noção que ficar dependente do subsídio de desemprego não é uma opção de carreira muito brilhante? :P
  3. ReplyJC Barros
    Sou um gajo que teve a noção que pelo caminho que levava, a possibilidade de me formar aos 40 não era lá muito interessante. A nova àrea, que também me interessa, foi mais um renovar de motivações do que outra coisa. Continuo a ter o mesmo gosto pela Astronomia como aquele que me fez escolher o curso da primeira vez.