No início dos anos 90, uma coisa era bastante certa sobre a expansão do universo. Poderia ter densidade de energia suficiente para parar a sua expansão e recolapso, poderia ter tão pouca densidade de energia que nunca pararia de se expandir, mas a gravidade tinha a certeza de abrandar a expansão à medida que o tempo passava. É certo que a desaceleração não tinha sido observada, mas, teoricamente, o universo tinha de abrandar. O universo está cheio de matéria e a força atractiva da gravidade puxa toda a matéria para junto. Depois veio 1998 e o Telescópio Espacial Hubble (HST) observações de supernovas muito distantes que mostraram que, há muito tempo atrás, o universo estava de facto a expandir-se mais lentamente do que é hoje. Assim, a expansão do Universo não tem abrandado devido à gravidade, como todos pensavam, tem vindo a acelerar. Ninguém esperava isto, ninguém sabia como o explicar. Mas algo o estava a causar.
Os teóricos deventualidade apresentaram três tipos de explicações. Talvez fosse o resultado de uma versão há muito descartada da teoria da gravidade de Einstein, uma que continha o que se chamava uma “constante cosmológica”. Talvez houvesse algum tipo estranho de fluido de energia que preenchia o espaço. Talvez haja algo de errado com a teoria da gravidade de Einstein e uma nova teoria poderia incluir algum tipo de campo que cria esta aceleração cósmica. Os teóricos ainda não sabem qual é a explicação correcta, mas deram um nome à solução. Chama-se energia escura.
O que é energia escura?
Mais é desconhecida do que é conhecida. Sabemos quanta energia escura existe porque sabemos como ela afecta a expansão do universo. Fora isso, é um mistério completo. Mas é um mistério importante. Acontece que cerca de 68% do universo é energia escura. A matéria negra representa cerca de 27%. O resto – tudo na Terra, tudo o que já foi observado com todos os nossos instrumentos, toda a matéria normal – totaliza menos de 5% do universo. Pensando bem, talvez não se deva chamar matéria “normal” de todo, uma vez que é uma fracção tão pequena do universo.
br> Uma explicação para a energia escura é que ela é uma propriedade do espaço. Albert Einstein foi a primeira pessoa a perceber que o espaço vazio não é nada. O espaço tem propriedades espantosas, muitas das quais estão apenas a começar a ser compreendidas. A primeira propriedade que Einstein descobriu é que é possível que mais espaço venha a existir. Depois, uma versão da teoria da gravidade de Einstein, a versão que contém uma constante cosmológica, faz uma segunda previsão: o “espaço vazio” pode possuir a sua própria energia. Como esta energia é uma propriedade do próprio espaço, não seria diluída à medida que o espaço se expande. À medida que mais espaço passa a existir, mais desta energia do espaço apareceria. Como resultado, esta forma de energia faria com que o universo se expandisse cada vez mais depressa. Infelizmente, ninguém compreende porque é que a constante cosmológica deveria sequer existir, muito menos porque é que teria exactamente o valor certo para causar a aceleração observada do universo.
br> Outra explicação para a forma como o espaço adquire energia vem da teoria quântica da matéria. Nesta teoria, o “espaço vazio” está na realidade cheio de partículas temporárias (“virtuais”) que se formam continuamente e depois desaparecem. Mas quando os físicos tentaram calcular quanta energia isto daria espaço vazio, a resposta saiu errada – errada por muito. O número saiu 10120 vezes demasiado grande. É um 1 com 120 zeros depois dele. É difícil obter uma resposta tão má. Assim, o mistério continua.
Outra explicação para a energia escura é que é um novo tipo de fluido ou campo energético dinâmico, algo que preenche todo o espaço, mas algo cujo efeito sobre a expansão do universo é o oposto do da matéria e da energia normal. Alguns teóricos deram o nome de “quintessência” a esta “quintessência”, em homenagem ao quinto elemento dos filósofos gregos. Mas, se a quintessência é a resposta, ainda não sabemos como é, com o que interage, ou porque existe. Assim, o mistério continua.
Uma última possibilidade é que a teoria da gravidade de Einstein não é correcta. Isso não só afectaria a expansão do universo, mas também a forma como a matéria normal em galáxias e aglomerados de galáxias se comportava. Este facto proporcionaria uma forma de decidir se a solução para o problema da energia negra é ou não uma nova teoria da gravidade: poderíamos observar como as galáxias se juntam em aglomerados. Mas se se verificar que é necessária uma nova teoria da gravidade, que tipo de teoria seria essa? Como poderia descrever correctamente o movimento dos corpos no Sistema Solar, como a teoria de Einstein é conhecida, e ainda nos dá as diferentes previsões para o universo de que precisamos? Existem teorias candidatas, mas nenhuma é convincente. Assim, o mistério continua.
O que é necessário para decidir entre possibilidades de energia negra – uma propriedade do espaço, um novo fluido dinâmico, ou uma nova teoria da gravidade – são mais dados, melhores dados.
O que é a Matéria Negra?
Ao adaptar um modelo teórico da composição do universo ao conjunto combinado de observações cosmológicas, os cientistas chegaram à composição que descrevemos acima, ~68% de energia negra, ~27% de matéria negra, ~5% de matéria normal. O que é a matéria escura?
Estamos muito mais certos do que aquilo que não é a matéria escura do que aquilo que é. Primeiro, é escura, o que significa que não é sob a forma de estrelas e planetas que vemos. As observações mostram que há muito pouca matéria visível no universo para perfazer os 27% exigidos pelas observações. Em segundo lugar, não é sob a forma de nuvens escuras de matéria normal, matéria constituída por partículas chamadas bariões. Sabemos isto porque seríamos capazes de detectar nuvens bariónicas pela sua absorção da radiação que passa através delas. Terceiro, a matéria escura não é antimatéria, porque não vemos os raios gama únicos que são produzidos quando a antimatéria se aniquila com a matéria. Finalmente, podemos excluir grandes buracos negros do tamanho de uma galáxia, com base na quantidade de lentes gravitacionais que vemos. Concentrações elevadas de matéria dobram a luz passando perto deles de objectos mais afastados, mas não vemos eventos de lente suficientes para sugerir que tais objectos constituem a contribuição necessária de 25% de matéria escura.
>br> Contudo, neste ponto, ainda existem algumas possibilidades de matéria escura que são viáveis. A matéria bariónica ainda poderia constituir a matéria escura se estivesse toda amarrada em anões castanhos ou em pequenos e densos pedaços de elementos pesados. Estas possibilidades são conhecidas como objectos maciços de auréola compacta, ou “MACHOs”. Mas a visão mais comum é que a matéria escura não é de todo bariónica, mas que é constituída por outras partículas mais exóticas como os axiomas ou WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles).
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