E se a matéria escura for apenas a atração gravitacional mútua de todo o Universo?
Análise detalhada de uma ideia intrigante
A matéria escura é um dos maiores mistérios da cosmologia e astrofísica modernas. Observações que incluem curvas de rotação de galáxias, lente gravitacional e formação da estrutura em grande escala indicam que existe uma forma de matéria no Universo que não interage com a luz – por isso é chamada de "escura". Com base na compreensão da gravidade de Newton e Einstein, a matéria visível, ou "normal" (protões, neutrões, eletrões), constitui apenas cerca de 5% do balanço total de energia e matéria do Universo, enquanto a matéria escura representa cerca de 27% (o restante é energia escura).
Mas e se esta massa em falta nem sequer existir? Talvez seja apenas um efeito da atração mútua do próprio Universo: pequenas contribuições gravitacionais de todas as estrelas, planetas e partículas de gás que, em conjunto, criam fenómenos que interpretamos como «matéria escura». É uma ideia intrigante: poderíamos dispensar o conceito de matéria escura como um componente separado e explicar tudo apenas pelo efeito gravitacional conjunto da matéria visível em grande escala?
Neste artigo, iremos explorar detalhadamente esta ideia – revisando as evidências da existência da matéria escura, os esforços científicos para explicar este fenómeno e por que a ideia de que «é apenas gravidade de tudo o que existe» é ao mesmo tempo apelativa e, infelizmente, insuficiente, quando se analisam os dados observacionais detalhados.
1. Evidências da existência da matéria escura
1.1 Curvas de rotação das galáxias
Uma das primeiras evidências claras da existência da matéria escura são as medições da velocidade das órbitas das estrelas nas periferias das galáxias. Segundo a mecânica de Newton, a velocidade das órbitas das estrelas nas bordas da galáxia deveria diminuir com o aumento da distância ao centro – de forma semelhante ao que acontece com a velocidade dos planetas no nosso Sistema Solar, que diminui à medida que se afastam do Sol.
No entanto, os astrónomos notaram que as estrelas nas regiões mais distantes das galáxias espirais se movem muito mais rápido do que os cálculos convencionais preveem. Este fenómeno, chamado de "curvas de rotação planas", indica que existe muito mais massa do que aquela que podemos determinar a partir da radiação electromagnética (luz em vários comprimentos de onda). Se numa galáxia existisse apenas matéria visível (estrelas, gás, poeira), as órbitas das estrelas mais distantes deveriam ser mais lentas. Assim, a explicação mais simples é que existe uma camada adicional de massa invisível, ou seja, matéria escura.
1.2 Lente gravitacional
A lente gravitacional é a capacidade de objetos massivos de curvar a luz, conforme descrito na teoria da relatividade geral de Einstein. Ao observar aglomerados de galáxias, verifica-se que o efeito que exercem na imagem de galáxias mais distantes (lenteamento) é muito mais forte do que o que pode ser explicado apenas pela matéria visível. Para explicar este efeito, é necessária massa adicional – novamente apontando para a matéria escura.
Um exemplo famoso é a colisão conhecida como Bullet Cluster, onde dois aglomerados de galáxias passaram um pelo outro. Os gases quentes (visíveis na faixa de raios X) foram desacelerados devido às interações, enquanto a maior influência gravitacional deslocou-se para além. Isso sugere que parte da massa quase não interage eletromagneticamente (ou seja, não colide como os gases normais), mas tem um efeito gravitacional significativo.
1.3 Observações cosmológicas e formação de estruturas
Observando a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (ingl. Cosmic Microwave Background, CMB) – o "eco" do Big Bang, os cientistas estudam as irregularidades na densidade. São essas irregularidades que, com o tempo, deram origem às galáxias e aglomerados que vemos hoje. Simulações computacionais da formação da estrutura do Universo mostram que, sem matéria escura, o desenvolvimento dessas "sementes" de densidade até os tamanhos atuais seria extremamente difícil de explicar ou mesmo impossível. Sem matéria escura, a formação de uma estrutura de matéria muito desigual (galáxias, aglomerados de galáxias) a partir de um Universo inicial quase homogéneo seria demasiado lenta.
2. Ideia proposta: atração comum de toda a matéria
A ideia de que "talvez a matéria escura seja apenas a atração gravitacional mútua de tudo o que existe" parece atraente à primeira vista. Afinal, a gravidade atua a distâncias ilimitadas; não importa quão distantes estejam dois objetos no Universo, eles ainda se atraem. Se imaginarmos um número incontável de estrelas e galáxias, talvez o efeito coletivo da sua atração possa explicar essa massa adicional.
2.1 Atratividade intuitiva
1. Explicação unificada da gravidade: Em parte, parece uma ideia unificadora. Em vez de introduzir um novo tipo de matéria, poderíamos afirmar que estamos apenas a observar o efeito coletivo da matéria que conhecemos.
2. Simplicidade: Para muitos, é atraente pensar que existe apenas matéria bariônica (normal) e nada mais. Talvez até agora simplesmente não tenhamos valorizado toda a gravidade coletiva dessa matéria, especialmente em grandes escalas.
No entanto, esta hipótese enfrenta desafios sérios quando aplicada a dados observacionais precisos e a teorias físicas bem testadas. Vamos ver onde surgem os problemas.
3. Por que a gravidade mútua da matéria conhecida não é suficiente
3.1 Gravidade convencional versus gravidade modificada
As tentativas de explicar fenómenos cósmicos sem matéria escura frequentemente caem na área das teorias de "gravidade modificada". Em vez de introduzir um novo tipo de matéria, propõe-se ajustar as leis da gravidade em escala universal. Um dos exemplos mais conhecidos é o MOND (Modified Newtonian Dynamics). A MOND afirma que em regiões de acelerações muito baixas (como nas periferias das galáxias) a gravidade atua de forma diferente do previsto por Newton ou Einstein.
Se a gravidade total de toda a matéria do Universo fosse a força que erroneamente chamamos de matéria escura, ela teria essencialmente de funcionar como uma versão modificada da gravidade. Os defensores da MOND e teorias semelhantes tentam explicar as curvas de rotação das galáxias e outros fenómenos. Contudo, a MOND, embora possa servir para algumas observações (por exemplo, curvas de rotação galácticas), tem dificuldades em conciliar-se com outros factos (como os dados de lente gravitacional do Bullet Cluster).
Por isso, qualquer teoria que afirme que a "matéria escura" é apenas o resultado da gravidade da matéria normal comum teria de explicar com sucesso não só as curvas de rotação das galáxias, mas também a lente, as colisões de aglomerados e a formação da estrutura em grande escala. Até agora, nenhuma teoria alternativa substituiu completamente a hipótese da matéria escura de forma a corresponder a todas as observações.
3.2 Lei do inverso do quadrado e escalas cósmicas
A força da gravidade enfraquece com o quadrado da distância (segundo a lei da gravitação universal de Newton). Em escalas cósmicas existe uma atração real, embora fraca, entre galáxias distantes, aglomerados e filamentos, mas essa força diminui rapidamente com a distância. Os dados observacionais mostram que a matéria visível (bariônica) não é suficiente nem está distribuída de forma a criar os efeitos gravitacionais atribuídos à matéria escura.
Se tentássemos somar toda a matéria visível do Universo e calcular o seu efeito gravitacional em várias escalas cósmicas, descobriríamos que ainda assim não conseguiríamos reproduzir as curvas de rotação reais das galáxias, os efeitos de lente ou a velocidade de formação da estrutura. Simplificando, num Universo composto apenas por matéria bariônica, a força gravitacional seria demasiado fraca para explicar o efeito observado.
3.3 Bullet Cluster e a distribuição da massa "desaparecida"
O Bullet Cluster é um exemplo particularmente claro. Quando dois aglomerados de galáxias colidem, a matéria normal (principalmente gases quentes) é desacelerada devido à interação, enquanto a outra parte da massa – quase não interagente – (presumivelmente matéria escura) atravessa a colisão sem desacelerar. Os dados de lente gravitacional mostram que a maior parte da massa "passou" para além do gás brilhante.
Se a massa em falta fosse explicada simplesmente por toda a matéria do Universo, seria de esperar que a distribuição de massa coincidisse mais com a matéria visível (gases desacelerados). Contudo, a discrepância observada entre o gás visível e a massa gravitacionalmente ativa indica que existe matéria adicional que não interage eletromagneticamente – a matéria escura.
4. "Gravidade de toda a matéria" e cosmologia
4.1 Limitações da nucleossíntese do Big Bang
No Universo primordial formaram-se os elementos químicos mais leves – hidrogénio, hélio e um pouco de lítio. Este processo é chamado nucleossíntese do Big Bang (em inglês, Big Bang Nucleosynthesis, BBN). A abundância dos elementos leves depende sensivelmente da densidade total da matéria bariônica (normal). Observando a radiação cósmica de fundo em micro-ondas e estudando as proporções destes elementos, verifica-se que não pode haver demasiada matéria bariônica no Universo – caso contrário, haveria contradições com as quantidades observadas de hélio ou deutério. Em suma, a BBN mostra que a matéria normal constitui cerca de 5% do balanço de energia e matéria do Universo.
4.2 Medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas
Dados de alta resolução obtidos por satélites como o COBE, WMAP e Planck permitiram aos cosmólogos determinar com extraordinária precisão as flutuações de temperatura da CMB. A natureza dessas flutuações, especialmente o seu espectro angular de potência, permite estimar a densidade dos vários componentes (matéria escura, energia escura e matéria bariônica). Estas medições coincidem muito bem com o modelo cosmológico em que a matéria escura é um componente separado e não bariônico. Se o efeito gravitacional atualmente atribuído à matéria escura fosse apenas a atração conjunta da matéria visível, o espectro de potência da CMB seria completamente diferente.
5. Existe uma forma diferente de dizer que a matéria escura é apenas "gravidade"?
A ideia de que "e se a matéria escura for na verdade apenas uma imperfeição nas leis da gravidade?" levou ao desenvolvimento de várias teorias de gravidade modificada. Estas propõem corrigir a Teoria Geral da Relatividade de Einstein ou a dinâmica de Newton à escala galáctica e maior, por vezes oferecendo uma base matemática bastante complexa. Tais teorias tentam explicar as curvas de rotação das galáxias e o efeito de lente gravitacional dos aglomerados sem recorrer a partículas adicionais invisíveis.
Principais desafios para as teorias de gravidade modificada:
- Ajustamento: É necessário ajustar a gravidade à escala das galáxias, mas ao mesmo tempo manter a consistência com as observações do Sistema Solar e com a teoria geral da relatividade, que já foi confirmada com grande precisão por inúmeros experimentos.
- Formação da estrutura: As teorias devem explicar não só as curvas de rotação das galáxias, mas também a formação das estruturas do Universo desde os tempos primordiais até aos dias de hoje, em conformidade com as observações em várias épocas.
- Efeitos relativísticos: Ao modificar a lei da gravidade, é necessário não contradizer fenómenos como a lente gravitacional ou os dados do Aglomerado Bullet.
Embora o modelo padrão atual da cosmologia, a "Matéria Escura Fria Lambda" (em inglês, ΛCDM), que inclui matéria escura e energia escura (Λ), tenha algumas limitações, até agora nenhuma teoria de gravidade modificada conseguiu explicar tão bem todas as observações como o ΛCDM.
6. Conclusão
A ideia de que a matéria escura poderia ser simplesmente a atração gravitacional mútua de toda a matéria do Universo é interessante. Ela coincide com o desejo de encontrar uma explicação mais simples, que não exija o conceito de nova matéria invisível. Essencialmente, isso ressoa com o antigo princípio da ciência e filosofia de que o Navalha de Occam recomenda eliminar hipóteses desnecessárias.
No entanto, décadas de observações astronómicas e cosmológicas mostram que apenas a quantidade total de matéria conhecida não explica o problema da "massa em falta". As curvas de rotação das galáxias, os dados de lente gravitacional, as taxas de formação da estrutura em grande escala, as medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas e as restrições da nucleossíntese do Big Bang – todos indicam que existe um tipo de matéria que está para além e adicionalmente à matéria habitual. Mais ainda, o Bullet Cluster e observações semelhantes mostram que a massa invisível se comporta de forma diferente da matéria comum (por exemplo, participando pouco noutras interações que não gravitacionais).
A cosmologia do Universo é uma área científica em constante evolução. Novas observações – desde ondas gravitacionais até mapas mais precisos da distribuição das galáxias e análises ainda melhores da CMB – melhoram continuamente a nossa compreensão. Até agora, a maioria dos dados observacionais indica que a matéria escura realmente existe como um tipo separado de matéria não bariônica. No entanto, uma mente aberta e atenção a dados inesperados continuam a ser muito importantes – afinal, a ciência avança quando hipóteses são testadas e alteradas quando não correspondem a novos factos.
Atualmente, as observações apoiam principalmente a ideia de que a matéria escura é um componente físico real. No entanto, questionar "e se existir uma alternativa?" é manter o espírito da curiosidade científica, que é especialmente necessário para compreender os mistérios do Universo.
Leitura adicional
- Matéria Escura no Universo – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- O Aglomerado Bullet como Evidência Contra a Gravidade Modificada – publicações de observações de vários autores, por exemplo, Clowe et al.
- Testando as Previsões da MOND – vários estudos das curvas de rotação das galáxias (por exemplo, trabalhos de Stacy McGaugh e colaboradores).
- Observações dos Parâmetros Cosmológicos – dados das missões Planck, WMAP, COBE.