A matéria escura pode não existir realmente - e nossa teoria alternativa pode ser posta à prova

 

                                                    O cluster de bala. Crédito: NASA / CXC / M. Weiss

           Os cientistas têm procurado por "matéria escura" - uma substância desconhecida e invisível que se pensa constituir a vasta maioria da matéria no universo - há quase um século. A razão para essa persistência é que a matéria escura é necessária para explicar o fato de que as galáxias parecem não obedecer às leis fundamentais da física. No entanto, as pesquisas de matéria escura continuaram sem sucesso. Mas existem outras abordagens para entender por que as galáxias se comportam de maneira tão estranha. Nosso novo estudo, publicado no Journal of Cosmology and Astroparticle Physics , mostra que, ajustando as leis da gravidade nas enormes escalas das galáxias, podemos não precisa realmente de matéria escura , afinal. O astrônomo suíço Fritz Zwicky descobriu na década de 1930 que as velocidades nos aglomerados de galáxias eram altas demais para explicar a quantidade de matéria que podíamos ver. Um fenômeno semelhante foi descrito por vários grupos de astrônomos, como Vera Rubin e Kent Ford , quando estudaram o movimento das estrelas nas extremidades da Galáxia de Andrômeda.

Esperava-se que as velocidades das estrelas distantes de seu centro diminuíssem, já que experimentam menos força gravitacional . Isso porque, de acordo com a segunda lei do movimento de Newton, a atração gravitacional sobre a matéria orbital pode ser equiparada a um produto de sua massa e aceleração (que está relacionada à velocidade).

  No entanto, as medidas mostraram que não houve diminuição das velocidades com a distância. Isso levou os cientistas a acreditar que deve haver alguma matéria invisível ali para criar uma atração gravitacional mais forte e um movimento estelar mais rápido. Nas últimas décadas, inúmeras outras sondas de sistemas gravitantes em escalas de comprimento muito grandes indicaram o mesmo problema.

                                                     (Imagem: wikimedia commons )

  Além da matéria escura

    O mistério do que realmente é a matéria escura continua sendo o desafio final da física fundamental moderna. A questão central é se é de fato uma fonte de massa ausente, como um novo tipo de matéria, ou se a lei gravitacional é simplesmente diferente em escalas de comprimento gigantescas.

  

   Embora a primeira opção pareça muito tentadora, ainda não encontramos nenhuma matéria escura. Além disso, embora as leis da gravidade sejam bem testadas no sistema solar, é preciso ter cuidado ao extrapolar isso para escalas que são pelo menos um bilhão de vezes maiores.

   Uma tentativa bem conhecida de se livrar da necessidade de matéria escura é a Dinâmica Newtoniana Modificada (MOND), que sugere que a lei da gravidade de Newton torna-se irregular quando a atração gravitacional é muito fraca - como é o caso nas regiões externas da galáxia. Mas essa teoria, embora bem-sucedida em muitos aspectos, não passou nos mesmos testes rigorosos que nosso modelo padrão de cosmologia, que inclui matéria escura.

    O principal problema é que o MOND não consegue explicar o problema de massa perdida em galáxias e aglomerados de galáxias ao mesmo tempo. Outro argumento muito forte contra o MOND é baseado na observação de aglomerados de galáxias em colisão , onde as estrelas de cada galáxia passam umas pelas outras, mas as nuvens de gás se unem e ficam para trás. Um exemplo famoso é o Bullet Cluster , que consiste em dois desses clusters em colisão. As observações sugerem que a matéria escura segue as estrelas nesses eventos, que têm uma massa total menor do que a nuvem de gás. MOND não consegue explicar por que isso acontece.

                                        Lentes gravitacionais ao redor de uma galáxia. Crédito: NASA

                         

                                                                Bolhas espaciais

     Decidimos ajustar as leis da gravidade de uma maneira diferente. Nossa abordagem assumiu que um fenômeno conhecido como rastreio de Vainshtein está em ação. Isso sugere que cada objeto compacto e suficientemente denso no espaço gera uma esfera invisível em torno dele que determina como as leis da física se comportam com o aumento da distância. Esta esfera é um conceito teórico para nos ajudar a entender a diferença entre escalas pequenas e grandes, ao invés de uma membrana física real. 

   De acordo com nossa teoria, dentro dessa bolha as leis da gravidade newtoniana comum que vemos em nosso sistema solar valem para objetos que interagem com o corpo massivo no centro. Fora da bolha, a teoria sugere que a atração gravitacional pelo objeto central pode ser significativamente aumentada - embora não haja mais massa presente.

  O tamanho da bolha seria proporcional à massa do objeto central. Se, por exemplo, em uma galáxia esta esfera tem um raio de alguns milhares de anos-luz - uma distância típica na qual os sinais de matéria escura são observados - a esfera correspondente de nosso sol teria um raio de 50.000 unidades astronômicas (uma dessas unidades é a distância entre o sol e a Terra). No entanto, a borda do sistema solar está a apenas 50 unidades astronômicas de distância. Em outras palavras, não há objetos que pudéssemos observar tão longe do sol para testar se o sol tem uma atração gravitacional diferente sobre eles do que na Terra. Somente a observação de sistemas inteiros muito distantes nos permite fazer isso.

  O efeito surpreendente é que o tamanho da bolha newtoniana aumenta com a massa fechada de uma maneira particular. Isso significa que a lei da gravidade muda em diferentes escalas de comprimento em galáxias e aglomerados de galáxias, respectivamente e, portanto, pode explicar a matéria escura aparente em ambos os sistemas simultaneamente. Isso não é possível com MOND. Além disso, é consistente com a observação do Bullet Cluster. Isso porque as nuvens de gás deixadas para trás na colisão não são compactas o suficiente para gerar uma esfera ao seu redor - o que significa que a matéria escura aparente só é notável em torno das estrelas mais compactas. O MOND não faz distinção entre estrelas e nuvens de gás.

  Para nossa grande surpresa, nossa teoria nos permitiu explicar as velocidades estelares nas galáxias muito melhor do que com a relatividade geral de Einstein , que permite a existência de matéria escura. Portanto, pode haver menos matéria escura misteriosa lá fora do que pensamos - e talvez até mesmo nenhuma.

  Pretendemos investigar melhor este fenômeno interessante. Também pode ser responsável pela alta variabilidade do movimento galáctico , para o qual reunimos cada vez mais evidências.

  Qualquer corpo maciço distorce o espaço e o tempo ao seu redor, de acordo com a relatividade geral. Como resultado, os raios de luz dão uma volta aparente em torno do objeto em vez de viajar em linha reta - um efeito chamado de lente gravitacional. Um teste extremamente interessante de nossa descoberta seria a observação da deflexão precisa da luz gravitacional por galáxias individuais, o que é uma medição difícil. Nossa teoria prevê uma deflexão de luz mais forte para galáxias muito compactas, então, de forma emocionante, ela poderia um dia ser falsificada ou confirmada por tal medição.

(fonte)