Como pode ser medida a matéria escura no Sistema Solar

 Nesta impressão de artista, a nave espacial Voyager 1 da NASA tem uma vista geral do Sistema Solar. Os círculos representam as órbitas dos grandes planetas exteriores: Júpiter, Saturno, Úrano e Neptuno. Lançada em 1977, a Voyager 1 visitou os planetas Júpiter e Saturno. A nave está agora a mais de 22 mil milhões de quilómetros da Terra, tornando-a o objeto mais longínquo jamais construído pelo homem. De facto, a Voyager 1 está agora a viajar através do espaço interestelar, a região entre as estrelas que está cheia de gás, poeira e material reciclado de estrelas moribundas. Crédito: NASA, ESA e G. Bacon (STScI)

As fotos da Via Láctea mostram milhares de milhões de estrelas dispostas em espiral irradiando do centro, com gás iluminado no meio. Mas os nossos olhos só conseguem vislumbrar a superfície do que mantém a nossa galáxia unida. Cerca de 95% da massa da nossa Galáxia é invisível e não interage com a luz. É feita de uma substância misteriosa chamada matéria escura, que nunca foi medida diretamente. 

Agora, um novo estudo calcula como a gravidade da matéria escura afeta objetos no nosso Sistema Solar, incluindo naves espaciais e cometas distantes. Também propõe uma forma da influência da matéria escura poder ser diretamente observada com uma experiência futura. O artigo foi publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 

"Estamos a prever que se nos afastarmos longe o suficiente no Sistema Solar, temos realmente a oportunidade de começar a medir a força da matéria escura," disse Jim Green, coautor do estudo e conselheiro do Gabinete do Cientista Chefe da NASA. "Esta é a primeira ideia de como o fazer e onde o faríamos." 

Matéria escura no nosso "quintal" 

Aqui na Terra, a gravidade do nosso planeta impede-nos de voar para fora das nossas cadeiras, e a gravidade do Sol mantém o nosso planeta em órbita num calendário de 365 dias. Mas quanto mais longe do Sol estiver uma nave espacial, menos vai sentir a sua gravidade, sentindo cada vez mais uma fonte diferente de gravidade: a da matéria do resto da Galáxia, que é na sua maioria matéria escura. A massa das 100 mil milhões de estrelas da nossa Galáxia é minúscula em comparação com as estimativas do conteúdo de matéria escura da Via Láctea. 

Para compreender a influência da matéria escura no Sistema Solar, o autor principal Edward Belbruno calculou a "força galáctica", a força gravitacional global da matéria normal combinada com a matéria escura de toda a Galáxia. Ele descobriu que no Sistema Solar, cerca de 45% desta força é da matéria escura e 55% é da matéria normal, a chamada "matéria bariónica". Isto sugere uma divisão aproximada entre a massa da matéria escura e a matéria normal no Sistema Solar. 

 Duas imagens pelo Hubble do gigantesco enxame de galáxias Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652). À esquerda está a imagem ótica com arcos azuis de aspeto estranho que aparecem entre as galáxias amareladas. Estas são as imagens ampliadas e distorcidas de galáxias localizadas muito atrás do enxame. A sua luz é curvada e amplificada pela imensa gravidade do enxame, num processo chamado de lente gravitacional. À direita, foi adicionado um sombreado azul para indicar a localização do material invisível chamado matéria escura que é matematicamente necessário para explicar a natureza e posição das galáxias com lente gravitacional que são vistas. Crédito: NASA, ESA, M.J. Jee e H. Ford (Universidade Johns Hopkins)

"Fiquei um pouco surpreendido com a contribuição relativamente pequena da força galáctica devido à matéria escura sentida no nosso Sistema Solar em comparação com a força devida à matéria normal," disse Belbruno, matemático e astrofísico da Universidade de Princeton e da Universidade Yeshiva. "Isto é explicado pelo facto da maior parte da matéria escura se encontrar nas partes exteriores da nossa Galáxia, longe do nosso Sistema Solar." 

Uma grande região chamada "halo" de matéria escura rodeia a Via Láctea e representa a maior concentração de matéria escura da Galáxia. Há pouca ou nenhuma matéria normal no halo. Os autores disseram que se o Sistema Solar estivesse localizado a uma distância maior do centro da Galáxia, que sentiria os efeitos de uma maior proporção de matéria escura na força galáctica porque estaria mais próximo do halo de matéria escura. 

Como a matéria escura pode influenciar as naves espaciais 

De acordo com o novo estudo, Green e Belbruno preveem que a gravidade da matéria escura interage muito ligeiramente com todas as naves espaciais que a NASA enviou para muito longe no Sistema Solar. 

"Se as naves espaciais se moverem através da matéria escura o tempo suficiente, as suas trajetórias mudam, e isto é importante para ter em consideração no planeamento de certas missões futuras," disse Belbruno. 

Tais naves podem incluir as aposentadas Pioneer 10 e 11 que foram lançadas em 1972 e 1973, respetivamente; as sondas Voyager 1 e 2 que têm vindo a explorar há mais de 40 anos e que entraram no espaço interestelar; e a nave New Horizons que passou por Plutão e Arrokoth na Cintura de Kuiper. 

Mas é um efeito minúsculo. Depois de viajar milhares de milhões de quilómetros, o percurso de uma sonda como a Pioneer 10 só se desviaria cerca de 1,6 metros devido à influência da matéria escura. "Elas sentem o efeito da matéria escura, mas é tão pequeno que não podemos medi-lo," disse Green. 

Onde é que a força galáctica toma o controle? 

A uma certa distância do Sol, a força galáctica torna-se mais poderosa do que a atração da nossa estrela, que é feita de matéria normal. Belbruno e Green calcularam que esta transição ocorre a cerca de 30.000 unidades astronómicas, ou 30.000 vezes a distância da Terra ao Sol. Isto está muito além da distância de Plutão, mas ainda dentro da Nuvem de Oort, um enxame de milhões de cometas que envolve o nosso Sistema Solar e que se estende até 100.000 unidades astronómicas. 

Isto significa que a gravidade da matéria escura poderia ter desempenhado um papel na trajetória de objetos como 'Oumuamua, o cometa ou asteroide em forma de charuto que veio de outro sistema estelar e que passou pelo Sistema Solar interior em 2017. A sua velocidade invulgarmente alta poderia ser explicada pela gravidade da matéria escura que o empurrava durante milhões de anos, dizem os autores.

 A existir um planeta gigante nos cantos mais recônditos do Sistema Solar, um objeto hipotético chamado Planeta 9 ou Planeta X que os cientistas têm procurado nos últimos anos, a matéria escura também influenciaria a sua órbita. Se este planeta existir, a matéria escura poderia talvez até afastá-lo da área onde os cientistas o procuram atualmente, escrevem Green e Belbruno. A matéria escura pode também ter feito com que alguns dos cometas da Nuvem de Oort escapassem por completo à órbita do Sol. 

Será que podemos medir a gravidade da matéria escura? 

Para medir os efeitos da matéria escura no Sistema Solar, uma sonda espacial não teria necessariamente de viajar para assim tão longe. A uma distância de 100 UA, uma nave espacial com os instrumentos certos poderia ajudar os astrónomos a medir diretamente a influência da matéria escura, disseram Green e Belbruno. 

Especificamente, uma sonda alimentada a energia radioisotópica - uma tecnologia que permitiu à Pioneer 10 e 11, às Voyager e à New Horizons voar para muito longe do Sol - pode ser capaz de fazer esta medição. Uma nave espacial deste tipo poderia transportar uma bola refletora e largá-la a uma distância apropriada. A esfera sentiria apenas forças galácticas, enquanto a nave espacial sentiria uma força térmica do elemento radioativo em decomposição no seu sistema de energia, para além das forças galácticas. Subtraindo a força térmica, os investigadores poderiam então observar como a força galáctica se relaciona com os desvios nas respetivas trajetórias da esfera e da nave espacial. Esses desvios seriam medidos com um laser, uma vez que os dois objetos voavam paralelamente um ao outro.

 Um conceito proposto de missãom chamada Interstellar Probe, que visa viajar até 500 UA do Sol para explorar esse ambiente desconhecido, é uma possibilidade para uma tal experiência. 

Mais sobre a matéria escura 

A matéria escura é uma massa oculta nas galáxias que foi proposta pela primeira vez na década de 1930 por Fritz Zwicky. Mas a ideia permaneceu controversa até às décadas de 1960 e 1970, quando Vera C. Rubin e colegas confirmaram que os movimentos das estrelas em torno dos seus centros galácticos não seguiriam as leis da física se apenas matéria normal estivesse envolvida. Só uma gigantesca fonte oculta de massa pode explicar porque é que estrelas na periferia das galáxias espirais como a nossa se movem tão rapidamente. 

Atualmente, a natureza da matéria escura é um dos maiores mistérios de toda a astrofísica. Observatórios poderosos com o Telescópio Espacial Hubble e o Observatório de raios-X Chandra ajudaram os cientistas a começar a compreender a influência e a distribuição da matéria escura no Universo em geral. O Hubble tem explorado muitas galáxias cuja matéria escura contribui para um efeito chamado "lente", onde a gravidade curva o próprio espaço e amplia imagens de galáxias mais distantes. 

Os astrónomos vão aprender mais sobre a matéria escura no cosmos com o mais recente conjunto de telescópios topo de gama. O Telescópio Espacial James Webb, lançado no dia 25 de dezembro de 2021, vai contribuir para a nossa compreensão da matéria escura ao recolher imagens e outros dados de galáxias e ao observar os seus efeitos de lente. O Telescópio Espacial Nancy Grace Roman, com lançamento previsto para meados desta década, vai realizar levantamentos de mais de mil milhões de galáxias para analisar a influência da matéria escura nas suas formas e distribuições. 

A missão Euclid da ESA também vai ter como alvo a matéria escura e a energia escura, olhando para trás no tempo cerca de 10 mil milhões de anos, até um período em que a energia escura começou a apressar a expansão do Universo. E o Observatório Vera C. Rubin, em construção no Chile, vai acrescentar dados valiosos a este puzzle da verdadeira essência da matéria escura. 

Mas estes poderosos instrumentos estão concebidos para procurar os fortes efeitos da matéria escura através de grandes distâncias, muito mais longe do que no nosso Sistema Solar, onde a influência da matéria escura é muito mais fraca. 

"Se pudéssemos enviar uma sonda para a detetar, isso seria uma enorme descoberta," disse Belbruno.

Fonte: ccvalg.pt