Um dos fatos mais intrigantes e contra-intuitivos sobre o Universo é que todas as “coisas” que nos são familiares em nosso dia-a-dia na Terra representam apenas 5% de tudo o que existe por aí. Os prótons, nêutrons e elétrons que compõem toda a matéria normal encontrada em nossos corpos, no planeta, no Sistema Solar e em toda a galáxia representam apenas uma fração do que existe por aí. Mesmo quando você faz o orçamento de tudo o que já detectamos – neutrinos, luz e até buracos negros – deixa de fora 95% de tudo o que deve estar lá fora: matéria escura (27%) e energia escura (68%).
A matéria escura, em particular, é um dos maiores mistérios de todos. Os astrofísicos estão praticamente certos de que devem existir, pois as evidências indiretas de todo um conjunto de medições independentes são enormes. Como nunca detectamos diretamente qualquer partícula que possa ser responsável por ela, muitas pessoas – especialistas e leigos – permanecem céticos quanto à sua existência. Mas se o nosso Universo não tivesse matéria escura, seria um lugar muito diferente. Aqui está como.
13,8 bilhões de anos atrás, o quente Big Bang ainda teria ocorrido. Partículas e antipartículas teriam sido criadas e destruídas em grande abundância, deixando uma pequena quantidade de prótons, nêutrons e elétrons sobrando no meio de um mar de radiação. No Universo primitivo, é tão quente, denso e energético que prótons e nêutrons podem se fundir para formar elementos pesados pela primeira vez, com partículas e fótons energéticos trabalhando contra esse processo, destruindo novamente os núcleos atômicos.
Sem outros ingredientes em jogo, há apenas um fator que determinará que tipo de elementos o Universo – antes mesmo de formar estrelas – será preenchido: a proporção de quantos fótons (ou quanta de luz) existem para cada barion. (prótons e nêutrons combinados) no universo. Se você tem matéria escura ou não, é irrelevante; esse é o único fator que determina quanto hidrogênio, hélio, lítio etc. são criados no Big Bang quente.
Mas depois que os primeiros minutos se passaram, a presença ou ausência de matéria escura se torna extremamente importante. O Universo primitivo é quase perfeitamente uniforme, com aproximadamente a mesma densidade média em todo o espaço. Mas existem flutuações minúsculas – imperfeições no Universo – que crescerão gravitacionalmente com o tempo, dando origem a estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias e estruturas ainda maiores.
A gravitação trabalha para colapsar a matéria no Universo, enquanto a radiação empurra essas estruturas densas, trabalhando para separá-las. Se tudo que você tinha no Universo era matéria normal e essa radiação, isso levaria a uma enorme quantidade de estrutura em certas escalas, enquanto simultaneamente eliminava todas as estruturas em outras escalas. Esse efeito é maximizado em um universo sem matéria escura.
O Universo continuaria se expandindo e esfriando enquanto tudo isso ocorresse, o que significa que as menores escalas cósmicas experimentarão esse fenômeno de colapso e recuo em épocas anteriores às maiores escalas cósmicas. Esse efeito é extremamente importante antes que o Universo tenha esfriado o suficiente para formar átomos neutros, o que significa que um mapa das flutuações no brilho restante do Big Bang – o fundo cósmico de microondas – revelará essas oscilações.
Em particular, você pode medir as diferenças de temperatura entre dois locais e ver como a diferença média varia dependendo da distância entre esses dois locais. Os efeitos desse colapso e recuo, o que os cientistas chamam de oscilações acústicas bariônicas, aparecerão nesse padrão de flutuações.
Quando os átomos neutros se formam, a reação da radiação para e a gravitação é livre para fazer o que faz de melhor: atrair todas as massas do Universo para todas as outras massas do Universo. Nuvens de gás se formariam, entrariam em colapso e criariam as primeiras estrelas do Universo, da mesma forma que em nosso Universo rico em matéria escura.
Mas sem os efeitos gravitacionais adicionais que a matéria escura acrescenta, essas primeiras estrelas causariam uma catástrofe. As estrelas não apenas emitem luz visível, mas também grandes quantidades de radiação ionizante ultravioleta. Eles emitem jatos de partículas e sopram grandes quantidades de matéria em movimento rápido na forma de ventos estelares. E para as primeiras estrelas de todas, que são muito mais massivas que as estrelas de hoje, esses efeitos são ainda mais graves.
Sem a matéria escura, os efeitos conjuntos dos ventos estelares e da radiação ultravioleta dariam um “chute” tão forte à matéria circundante que não seria lançada de volta ao meio interestelar, mas se tornaria inteiramente gravitacionalmente livre do aglomerado estelar que acabou de se formar.
Quando essas estrelas evoluem e morrem, o que provavelmente significa uma supernova para a maioria dessas estrelas da primeira geração, os ejetos dessas estrelas se movem tão rapidamente que – novamente, sem matéria escura – eles se tornam gravitacionalmente desconectados do material restante que desabou para formar essas estrelas em primeiro lugar. Ao contrário do nosso Universo, onde o material que foi fundido em uma geração de estrelas é reciclado para a próxima geração, essa primeira geração de estrelas pode muito bem ser o fim da linha sem matéria escura.
Em escalas cósmicas menores, isso significa que os únicos sistemas solares que existem serão enormemente simplistas. Sem a capacidade de reciclar os elementos de uma geração de estrelas para a próxima, isso significa que você não terá os elementos pesados necessários para formar planetas rochosos em seus discos protoplanetários. Sem grandes quantidades de carbono, nitrogênio, oxigênio e elementos ainda mais pesados, como silício, fósforo, cobre e ferro, a vida não seria apenas uma impossibilidade, mas os únicos planetas que você poderia formar seriam mundos gasosos compostos por hidrogênio e hélio.
Além disso, sem esses elementos mais pesados para ajudar a esfriar as proto-estrelas à medida que se formam, as estrelas existentes serão muito menos numerosas, mas maiores em massa. Hoje, a estrela média no universo é de cerca de 40% da massa do sol; sem matéria escura, a estrela média seria aproximadamente 10 vezes mais massiva que o nosso Sol.
Nas escalas de galáxias semelhantes à Via Láctea, ainda haveria grandes coleções de massa que formavam discos, e esses discos ainda girariam e seriam repletos de estrelas. Mas sem matéria escura, essas galáxias exibem duas grandes diferenças em relação às galáxias que vemos hoje.
Sem matéria escura, as galáxias perderiam uma grande fração do gás que forma novas estrelas imediatamente após o primeiro grande evento de formação de estrelas que elas experimentaram. O gás ainda poderia penetrar neles a partir de pequenas fusões e do meio intergaláctico circundante, mas eles possuiriam muito menos do material que forma novas estrelas do que as galáxias modernas. Galáxias espirais, sem matéria escura, girariam como nosso Sistema Solar: com os objetos internos girando muito mais rapidamente ao redor do centro do que os objetos externos. O fato de a grande maioria das galáxias ter curvas planas de rotação, onde os objetos externos se movem na mesma velocidade que os interiores, é outra consequência da matéria escura em nosso Universo.
Em escalas cósmicas maiores, haveria muito menos estrutura geral. Em um universo sem matéria escura, não há “esqueleto” invisível para a teia cósmica; ao contrário, a estrutura se forma com base apenas na força da matéria normal. Isso significa que, em vez de uma teia cósmica, onde você acaba com galáxias pontilhando os filamentos que conectam os grandes aglomerados do Universo, você acaba com ilhas isoladas de galáxias de tamanho médio, sem muito mais.
Certamente, algumas galáxias ainda se agrupariam e se agrupariam, mas haveria muito menos delas que o fazem em um universo sem matéria escura. Observações da estrutura em larga escala do Universo seriam enormemente diferentes em todas as métricas mensuráveis, desde sinais fracos e fortes de lentes gravitacionais até colisões de grupos de galáxias até o espectro de potência do Universo.
Finalmente, as menores galáxias de todas – aquelas que contêm apenas centenas ou milhares de estrelas – não seriam capazes de existir. Em nosso universo, eles surgiram de um grupo de matéria normal e escura de aproximadamente 100.000 massas solares, onde um episódio de formação de estrelas ejetou o gás. Ainda assim, a matéria escura persistiu e mantém as estrelas unidas em sua própria estrutura limitada até os dias atuais. Em um universo sem matéria escura, esse mesmo episódio de formação estelar destruiria completamente a proto-galáxia, deixando apenas uma enorme quantidade de estrelas individuais e não ligadas para trás.
Existem muitas linhas de evidência diferentes que apontam para a existência da matéria escura, mas talvez seja um pouco mais interessante considerar todas as maneiras pelas quais nosso Universo seria diferente – e inconsistente com o que observamos – se não tivesse matéria escura. Se você gosta do fato de que o Universo é unido, assim como é, você tem matéria escura para agradecer. Mesmo que você não acredite, é um ingrediente-chave no Universo que o levou a você.
Publicado em 23/02/2020 11h42
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