Energia Escura e Matéria Escura

No início dos anos 1990, uma coisa era bastante certa sobre a expansão do universo. Pode ter densidade de energia suficiente para parar sua expansão e recollapse, pode ter tão pouca densidade energética que nunca pararia de se expandir, mas a gravidade estava certa para retardar a expansão com o passar do tempo. É certo que a lentidão não tinha sido observada, mas, teoricamente, o universo teve que desacelerar. O universo está cheio de matéria e a força atraente da gravidade une toda a matéria.

Então vieram 1998 e as observações do Telescópio Espacial Hubble (HST) de supernovas muito distantes que mostraram que, há muito tempo, o universo estava realmente se expandindo mais lentamente do que é hoje. Assim, a expansão do universo não tem desacelerado devido à gravidade, como todos pensavam, tem acelerado. Ninguém esperava isso, ninguém sabia como explicar. Mas algo estava causando isso.

Eventualmente, os teóricos vieram com três tipos de explicações. Talvez tenha sido o resultado de uma versão há muito descartada da teoria da gravidade de Einstein, que continha o que era chamado de "constante cosmológica". Talvez houvesse algum tipo estranho de fluido de energia que preenchia espaço. Talvez haja algo errado com a teoria da gravidade de Einstein e uma nova teoria pode incluir algum tipo de campo que cria essa aceleração cósmica. Os teóricos ainda não sabem qual é a explicação correta, mas deram um nome à solução. Chama-se energia escura.

O que é energia escura?

Mais é desconhecido do que se sabe. Sabemos quanta energia escura existe porque sabemos como ela afeta 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 escura representa cerca de 27%. O resto - tudo na Terra, tudo sempre observado com todos os nossos instrumentos, toda a matéria normal - soma menos de 5% do universo. Pensando bem, talvez não deva ser chamado de matéria "normal", já que é uma fração tão pequena do universo.

Uma explicação para a energia escura é que é uma propriedade do espaço. Albert Einstein foi a primeira pessoa a perceber que espaço vazio não é nada. O espaço tem propriedades incríveis, muitas das quais estão apenas começando a ser compreendidas. A primeira propriedade que Einstein descobriu é que é possível que mais espaço venha a existir. Em seguida, uma versão da teoria da gravidade de Einstein, a versão que contém uma constante cosmológica, faz uma segunda previsão: "espaço vazio" pode possuir sua própria energia. 

Como essa energia é uma propriedade do próprio espaço, ela não seria diluída à medida que o espaço se expande. À medida que mais espaço se torna, mais dessa energia do espaço apareceria. Como resultado, essa forma de energia faria com que o universo se expandisse cada vez mais rápido. Infelizmente, ninguém entende por que a constante cosmológica deveria estar lá, muito menos por que teria exatamente o valor certo para causar a aceleração observada do universo.

Outra explicação para como o espaço adquire energia vem da teoria quântica da matéria. Nesta teoria, o "espaço vazio" está realmente cheio de partículas temporárias ("virtuais") que se formam continuamente e depois desaparecem. Mas quando os físicos tentaram calcular quanta energia isso daria espaço vazio, a resposta saiu errada - errada por muito. O número saiu 10120 vezes maior demais. É um 1 com 120 zeros depois disso. É difícil obter uma resposta tão ruim. Então o mistério continua.

Outra explicação para a energia escura é que é um novo tipo de fluido de energia dinâmica ou campo, algo que preenche todo o espaço, mas algo cujo efeito na expansão do universo é o oposto do da matéria e da energia normal. Alguns teóricos chamaram essa "quintessência", em homenagem ao quinto elemento dos filósofos gregos. Mas, se quintessência é a resposta, ainda não sabemos como é, com o que ela interage ou por que ela existe. Então o mistério continua. 

Uma última possibilidade é que a teoria da gravidade de Einstein não esteja correta. Isso não só afetaria a expansão do universo, mas também afetaria a forma como a matéria normal em galáxias e aglomerados de galáxias se comportava. Este fato forneceria uma maneira de decidir se a solução para o problema da energia escura é uma nova teoria da gravidade ou não: poderíamos observar como as galáxias se unem em aglomerados. Mas se acontecer que uma nova teoria da gravidade seja necessária, que tipo de teoria seria? Como poderia descrever corretamente o movimento dos corpos no Sistema Solar, como a teoria de Einstein é conhecida por fazer, e ainda nos dar a previsão diferente para o universo que precisamos? Há teorias de candidatos, mas nenhuma é convincente. Então o mistério continua. 

A coisa que é necessária para decidir entre possibilidades de energia escura - uma propriedade do espaço, um novo fluido dinâmico, ou uma nova teoria da gravidade - são mais dados, melhores dados. 

O que é matéria escura?

Ao encaixar um modelo teórico da composição do universo ao conjunto combinado de observações cosmológicas, os cientistas criaram a composição que descrevemos acima, ~68% de energia escura, ~27% de matéria escura, ~5% de matéria normal. O que é matéria escura? 

Estamos muito mais certos do que a matéria escura não é do que nós somos o que é. Primeiro, é escuro, o que significa que não é na forma de estrelas e planetas que vemos. Observações mostram que há muito pouca matéria visível no universo para compor os 27% exigidos pelas observações. Segundo, não é na forma de nuvens escuras de matéria normal, matéria composta de partículas chamadas bárions. Sabemos disso porque poderíamos detectar nuvens bariônicas pela absorção de radiação que passa por elas. 

Em terceiro lugar, a matéria escura não é antimatéria, porque não vemos os raios gama únicos que são produzidos quando a antimatéria aniquila com matéria. Finalmente, podemos descartar grandes buracos negros do tamanho de uma galáxia com base em quantas lentes gravitacionais vemos. Altas concentrações de luz de matéria que passam perto deles de objetos mais distantes, mas não vemos eventos suficientes de lentes para sugerir que tais objetos compõem a contribuição necessária de 25% da matéria escura.

No entanto, neste ponto, ainda há algumas possibilidades de matéria escura que são viáveis. A matéria bariônica ainda poderia compor a matéria escura se estivesse tudo amarrado em anãs marrons ou em pequenos e densos pedaços de elementos pesados. Essas possibilidades são conhecidas como objetos de halo compactos maciços, ou "MACHOs". Mas a visão mais comum é que a matéria escura não é bariônica em tudo, mas que é composta de outras partículas mais exóticas como axions ou WIMPS (Fracamente Interagindo Partículas Massivas).

Fonte: Nasa.gov