Enxergando o invisível! Como sabemos que a matéria escura existe?
Mais de 60% da matéria do Universo está em uma forma que leva o nome de matéria escura. Esse tipo de matéria não é visível de nenhuma forma, não conseguimos observar ou detectar. Então como sabemos sobre a existência dela se não conseguimos observá-la?
A matéria escura é uma daquelas coisas que chamam atenção quando ouvimos falar. O próprio nome “matéria escura” já pode levantar a curiosidade por si só. O que é algo que não podemos enxergar? E como sabemos que algo existe se não conseguimos observar de forma alguma?
O nome matéria escura só foi introduzido no começo do século XX pelo físico Henri Poincaré. Ele respondia o problema proposto por Lord Kelvin: a ideia sobre a existência de estrelas próximas ao Sol e que um número significativo pudesse ser corpos escuros.
Mais de um século depois, temos evidências observacionais de que a matéria que conseguimos observar é apenas uma fração de toda matéria disponível no Universo. Como chegamos nessa conclusão? Como observar o invisível?
As componentes do Universo
Se fosse possível separar o Universo em componentes, teríamos três ingredientes: matéria visível, matéria escura e a energia escura. A matéria visível é tudo aquilo que interage com a luz e que chega até aos nossos olhos seja diretamente ou com ajuda de equipamentos, como telescópios.
Ou seja, vivemos em um Universo que 95% ainda permanece como um mistério para nós. Porém, há observações e evidências que nos mostram a direção para encontrar a resposta do que é cada uma dessas componentes.
Quando você encontra algo que não está ali
Durante o começo do século XX, diferentes físicos e astrônomos investigaram a questão da matéria escura. Mas a primeira evidência concreta foi apresentada pelo astrofísico Fritz Zwicky nos anos 30. Zwicky estudou um aglomerado de galáxias chamado Aglomerado de Coma.
Mas a mais famosa observação, que é responsável até hoje por boa parte do que sabemos sobre matéria escura, foi o trabalho da astrônoma Vera Rubin.
Galáxias giram mais rápido do que deveriam
A velocidade kepleriana que dita a velocidade e movimento de órbitas em torno de uma massa central explica diferentes sistemas. A própria dinâmica do Sistema Solar é explicada pelas leis de Kepler.
Uma das características é que quanto mais perto um objeto está de uma massa central, mais rápido será sua velocidade orbital. Por isso que Mercúrio, planeta mais próximo do Sol, orbita com uma velocidade bem maior do que Netuno, o planeta mais distante do Sol.
Vera Rubin: a mãe da matéria escura
A astrônoma Vera Rubin dedicou sua vida em estudar galáxias, em especial, a galáxia de Andrômeda. Ao estudar galáxias, Rubin percebeu que as estrelas nas bordas das galáxias giravam com a mesma velocidade que estrelas no centro. Isso fugia do senso comum ditado pelas leis de Kepler.
As estrelas estavam se movimentando mais rapidamente do que era esperado. Rubin então propôs que essas estrelas estavam dentro de uma espécie de esfera, chamada halo, composta de matéria escura.
A descoberta de Rubin foi a melhor evidência para comprovar que havia uma componente que não conseguimos enxergar: uma matéria escura. Após a descoberta, um novo campo na Astronomia se tornou quente já que todos queriam entender o que era aquilo.
Outra forma de observar o invisível
As lentes gravitacionais acontecem quando a trajetória da luz é alterada devido à presença de massa no seu caminho. A massa pode distorcer a luz de diferentes formas causando a repetição da imagem ou até mesmo funcionar como uma lente de aumento.
Usando essas distorções e calculando quanta massa está ali, é possível calcular a quantidade de matéria escura que está naquela galáxia ou aglomerado. Hoje em dia, o uso de lente gravitacional para esse fim é extremamente sofisticado e com uma precisão alta.
Mas como é possível observar o invisível?
Uma das características da matéria escura é que ela não interage de forma eletromagnética com nada. Ou seja, a luz não é refletida, nem absorvida ou emitida de regiões de matéria escura. Nesse sentido da palavra, é algo realmente invisível até para os melhores telescópios.
A matéria escura interage de outra forma: gravitacionalmente. Sua massa consegue interagir através da gravidade com a matéria visível e dessa forma ela se torna observável para nós, apenas gravitacionalmente. Em outras palavras, de forma gravitacional, ela é visível para nós.
O que é matéria escura ao final de contas?
A resposta que temos até hoje é… não sabemos. O estudo de matéria escura tem poucas décadas então a área é relativamente nova. A dificuldade de não ter observações no espectro eletromagnético é algo nunca visto antes na Astronomia que dependia apenas da luz.
Há diferentes propostas para explicar a matéria escura desde buracos negros pequenos até mudanças nas leis de gravitação. Porém, a explicação que a maioria dos astrofísicos preferem é das partículas WIMPs.
WIMPs são partículas massivas que interagem fracamente. Ainda não há nenhuma observação dessas partículas então elas permanecem no campo da hipótese.