Matéria escura – um dos maiores mistérios da astrofísica e cosmologia modernas. Embora constitua a maior parte da matéria do Universo, a sua natureza permanece desconhecida. A matéria escura não emite, não absorve nem reflete luz em níveis observáveis, pelo que é "invisível" (do inglês “dark”) para telescópios que dependem da radiação eletromagnética. No entanto, o seu efeito gravitacional sobre galáxias, aglomerados de galáxias e a grande estrutura do Universo é inegável.
Neste artigo discutiremos:
- Indicações históricas e observações iniciais
- Evidências a partir das curvas de rotação das galáxias e aglomerados
- Dados cosmológicos e de lente gravitacional
- Candidatos a partículas de matéria escura
- Métodos experimentais de busca: diretos, indiretos e aceleradores
- Questões selecionadas e perspetivas futuras
1. Indicações históricas e observações iniciais
1.1 Fritz Zwicky e a massa faltante (década de 1930)
A primeira indicação séria sobre a matéria escura foi dada por Fritz Zwicky na década de 1930. Estudando o aglomerado de galáxias de Coma, Zwicky mediu as velocidades dos membros do aglomerado e aplicou o teorema virial (que relaciona a energia cinética média de um sistema ligado com a energia potencial). Ele constatou que as galáxias se moviam tão rapidamente que o aglomerado deveria dispersar-se, se nele existisse apenas a massa das estrelas e dos gases que podemos observar. Para que o aglomerado permanecesse gravitacionalmente ligado, era necessária muita "massa faltante", que Zwicky chamou de "Dunkle Materie" (em alemão, "matéria escura") [1].
Conclusão: Nos aglomerados de galáxias há muito mais massa do que a visível – o que indica a existência de um componente invisível gigantesco.
1.2 Ceticismo inicial
Durante muitas décadas, parte dos astrofísicos avaliou cautelosamente a ideia de grandes quantidades de matéria escura. Alguns inclinavam-se para explicações alternativas, como aglomerados abundantes de estrelas fracas ou outros objetos ténues, ou mesmo modificações nas leis da gravidade. No entanto, com o aumento das evidências, a matéria escura tornou-se um dos pilares da cosmologia.
2. Evidências das curvas de rotação das galáxias e dos aglomerados
2.1 Vera Rubin e as curvas de rotação das galáxias
A viragem decisiva ocorreu nas décadas de 1970 e 1980, quando Vera Rubin e Kent Ford mediram as curvas de rotação das galáxias espirais, incluindo a galáxia de Andrômeda (M31) [2]. Segundo a dinâmica de Newton, as estrelas longe do centro da galáxia deveriam mover-se mais lentamente se a maior parte da massa estivesse concentrada na região central elevada (núcleo). Contudo, Rubin descobriu que as velocidades de rotação das estrelas mantinham-se constantes ou até aumentavam muito para lá da extensão da matéria visível da galáxia.
Implicação: Existem halos de matéria «invisível» espalhados no ambiente das galáxias. Estas curvas de rotação planas reforçaram fortemente a teoria de que existe um componente de massa dominante que não emite luz.
2.2 Aglomerados de galáxias e o «Aglomerado da Bala»
Evidências adicionais foram obtidas a partir do estudo da dinâmica dos aglomerados de galáxias. Para além do aglomerado de Coma, já estudado por Zwicky, medições modernas mostram que a massa determinada a partir das velocidades das galáxias e dos dados da radiação de raios X também excede a matéria visível. Um exemplo particularmente impressionante é o Aglomerado da Bala (1E 0657–56), observado durante a colisão de aglomerados de galáxias. Aqui, a massa determinada por lente (a partir da lente gravitacional) está claramente separada da maior parte da massa do gás quente que emite raios X (matéria normal). Esta separação é uma forte evidência de que a matéria escura é um componente distinto, diferente da matéria bariônica [3].
3. Evidências cosmológicas e de lente gravitacional
3.1 Formação de grandes estruturas
Simulações cosmológicas mostram que no início do Universo existiam pequenas perturbações de densidade – visíveis no fundo cósmico de micro-ondas (CMB). Estas perturbações cresceram ao longo do tempo, formando a enorme rede de galáxias e aglomerados que observamos hoje. A matéria escura fria (CDM) – partículas não relativísticas que podem condensar sob a ação da gravidade – desempenha um papel essencial na aceleração da formação de estruturas [4]. Sem matéria escura, seria muito difícil explicar a formação dos grandes aglomerados do Universo no tempo disponível desde o Big Bang.
3.2 Lente gravitacional
Com base na Teoria Geral da Relatividade, a massa curva o espaço-tempo, fazendo com que a luz que passa perto dela se desvie. As medições de lente gravitacional – tanto de galáxias individuais como de aglomerados massivos – mostram consistentemente que a massa gravitacional total é muito maior do que a matéria que emite luz. Ao estudar as distorções das fontes de fundo, os astrónomos podem reconstruir a verdadeira distribuição de massa, frequentemente detectando vastos halos de massa invisível [5].
4. Candidatos a partículas de matéria escura
4.1 WIMP (partículas massivas que interagem fracamente)
Historicamente, a classe mais popular de partículas de matéria escura foi a WIMP. Acredita-se que estas partículas hipotéticas:
- são massivas (tipicamente na gama GeV–TeV),
- são estáveis (ou muito longamente vivas),
- interagem apenas gravitacionalmente e possivelmente pela interação fraca.
As partículas WIMP explicam convenientemente como a matéria escura poderia ter-se formado no início do Universo com a densidade residual correta – devido ao chamado processo de «congelamento térmico» (thermal freeze-out), quando, à medida que o Universo se expande e arrefece, a interação com a matéria comum se torna demasiado rara para eliminar ou alterar significativamente a abundância dessas partículas.
4.2 Axions
Outro candidato interessante são os axions, inicialmente propostos para resolver o «problema da CP forte» na cromodinâmica quântica (QCD). Os axions seriam partículas leves, pseudoscalars, que poderiam ter sido formadas no início do Universo em quantidade suficiente para constituir toda a matéria escura necessária. «Partículas semelhantes a axions» (axion-like particles) são uma categoria mais ampla, podendo surgir em vários enquadramentos teóricos, incluindo a teoria das cordas [6].
4.3 Outros candidatos
- Neutrinos estéreis: variantes mais pesadas do neutrino, que não interagem pela força fraca.
- Buracos negros primordiais (PBH): buracos negros hipotéticos formados muito cedo no Universo.
- Matéria escura “quente” (WDM): partículas mais leves que WIMP, capazes de explicar algumas discrepâncias em estruturas de pequena escala.
4.4 Gravidade modificada?
Alguns cientistas propõem correções gravitacionais, como MOND (dinâmica newtoniana modificada) ou outras teorias mais gerais (ex.: TeVeS), para evitar partículas exóticas novas. Contudo, o «Enxame de Balas» e outros dados de lente gravitacional indicam que a matéria escura real – que pode ser distinguida da matéria comum – explica muito melhor as observações.
5. Pesquisas experimentais: direta, indireta e aceleradores
5.1 Experimentos de deteção direta
- Objetivo: detetar colisões raras entre partículas de matéria escura e núcleos atómicos em detectores extremamente sensíveis, geralmente instalados em profundidade subterrânea para proteção contra radiação cósmica.
- Exemplos: XENONnT, LZ e PandaX (detetores de xenônio); SuperCDMS (semicondutor).
- Estado: até agora não há sinal inequívoco, mas a sensibilidade dos experimentos está a atingir limites cada vez mais baixos da secção eficaz de interação.
5.2 Detecção indireta
- Objetivo: procurar produtos da aniquilação ou decaimento da matéria escura – por exemplo, raios gama, neutrinos ou positrões – onde a matéria escura é mais densa (por exemplo, no centro da Galáxia).
- Instrumentos: Telescópio espacial de raios gama Fermi, AMS (Espectrómetro Magnético Alfa ISS), HESS, IceCube e outros.
- Estado: foram observados alguns sinais intrigantes (por exemplo, excesso de raios gama GeV perto do centro da Galáxia), mas ainda não confirmados como evidência de matéria escura.
5.3 Investigações em aceleradores
- Objetivo: criar possíveis partículas de matéria escura em colisões de alta energia (por exemplo, colisões de protões no Grande Colisionador de Hadrões) (por exemplo, WIMP).
- Método: procurar eventos com elevada energia transversal em falta (MET), que possa indicar partículas invisíveis.
- Resultado: até agora não foi encontrado um sinal confirmado de nova física compatível com WIMP.
6. Questões em aberto e perspetivas futuras
Embora os dados gravitacionais mostrem inequivocamente a existência de matéria escura, a sua natureza permanece um dos maiores enigmas da física. Várias linhas de investigação continuam:
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Detetores de nova geração
- Experimentos de deteção direta ainda maiores e mais sensíveis procuram penetrar ainda mais no intervalo de parâmetros dos WIMP.
- "Haloscópios" de axions (por exemplo, ADMX) e experimentos avançados de cavidades ressonantes procuram axions.
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Cosmologia de precisão
- As observações do fundo cósmico de micro-ondas (Planck e missões futuras) e da estrutura em grande escala (LSST, DESI, Euclid) melhoram as restrições sobre a densidade e distribuição da matéria escura.
- Ao combinar estes dados com modelos astrofísicos aprimorados, é possível refutar ou restringir cenários não padrão de matéria escura (por exemplo, matéria escura auto-interagente, matéria escura quente).
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Física e teoria de partículas
- Na ausência de sinais de WIMP, outras alternativas são cada vez mais consideradas, como matéria escura sub-GeV, "setores escuros" ou modelos ainda mais exóticos.
- Tensão de Hubble – a discrepância entre as taxas de expansão do Universo medidas – levou alguns teóricos a explorar se a matéria escura (ou as suas interações) pode desempenhar um papel aqui.
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Investigações astrofísicas
- Estudos detalhados das galáxias anãs, dos "fluxos" de maré e do movimento das estrelas no halo da Via Láctea revelam nuances de estruturas pequenas que podem ajudar a distinguir diferentes modelos de matéria escura.
Conclusão
A matéria escura é uma parte essencial do modelo cosmológico: determina a formação de galáxias e aglomerados e constitui a maior parte da matéria do Universo. No entanto, até agora não conseguimos detetá-la diretamente nem compreender completamente as suas propriedades fundamentais. Desde o problema da “massa em falta” de Zwicky até aos atuais detectores e observatórios altamente avançados – os esforços contínuos para desvendar os mistérios da matéria escura prosseguem.
O risco (ou valor científico) aqui é enorme: qualquer deteção final ou avanço teórico pode transformar a nossa compreensão da física de partículas e da cosmologia. Quer seja WIMP, axion, neutrino estéril ou uma possibilidade totalmente inesperada – a descoberta da matéria escura seria uma das conquistas mais importantes da ciência moderna.
Ligações e leitura adicional
- Zwicky, F. (1933). “Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln.” Helvetica Physica Acta, 6, 110–127.
- Rubin, V. C., & Ford, W. K. (1970). “Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions.” The Astrophysical Journal, 159, 379–403.
- Clowe, D., Gonzalez, A., & Markevitch, M. (2004). “Weak-Lensing Mass Reconstruction of the Interacting Cluster 1E 0657–558: Direct Evidence for the Existence of Dark Matter.” The Astrophysical Journal, 604, 596–603.
- Blumenthal, G. R., Faber, S. M., Primack, J. R., & Rees, M. J. (1984). “Formation of Galaxies and Large-Scale Structure with Cold Dark Matter.” Nature, 311, 517–525.
- Tyson, J. A., Kochanski, G. P., & Dell’Antonio, I. P. (1998). “Detailed Mass Map of CL 0024+1654 from Strong Lensing.” The Astrophysical Journal Letters, 498, L107–L110.
- Peccei, R. D., & Quinn, H. R. (1977). “CP Conservation in the Presence of Instantons.” Physical Review Letters, 38, 1440–1443.
Fontes adicionais
- Bertone, G., & Hooper, D. (2018). “A History of Dark Matter.” Reviews of Modern Physics, 90, 045002.
- Tulin, S., & Yu, H.-B. (2018). “Dark Matter Self-Interactions and Small Scale Structure.” Physics Reports, 730, 1–57.
- Peebles, P. J. E. (2017). “Dark Matter.” Proceedings of the National Academy of Sciences, 112, 12246–12248.
Entre observações astronómicas, experiências de física de partículas e sistemas teóricos inovadores, os cientistas aproximam-se incessantemente da compreensão da essência da matéria escura. É uma viagem que está a mudar a nossa visão do Universo e que poderá abrir caminho a novas descobertas na física, para lá do Modelo Padrão.