Se a matéria escura está em toda parte, por que não a detectamos em nosso sistema solar?

Um halo grosso de matéria escura com densidades variáveis e uma estrutura difusa muito grande, conforme previsto por simulações, com a parte luminosa da galáxia mostrada em escala. Uma vez que a matéria escura está em toda parte, deveria estar em nosso Sistema Solar também. Então, por que não vimos ainda? (NASA, ESA e T. Brown e J. Tumlinson (STScI))

É a primeira e mais ingênua pergunta que você pode pensar em fazer. A solução é muito mais complicada do que você imagina.

De acordo com uma grande quantidade de evidências, a esmagadora maioria do Universo é feita de algum tipo misterioso de massa que nunca medimos diretamente. Embora prótons, nêutrons e elétrons – e, por falar nisso, toda a matéria feita de partículas do Modelo Padrão da física – constituam os planetas, estrelas e galáxias que encontramos em todo o Universo, eles representam apenas 15% do total do Universo massa. O resto é feito de algo totalmente diferente: matéria escura e fria. Mas se esta matéria escura está em toda parte e é tão abundante, por que não a vimos em nosso Sistema Solar? Essa é a pergunta de Bob Lipp, que quer saber:

Todas as evidências de matéria escura e energia escura parecem estar lá fora no cosmos. Parece muito suspeito que não vemos nenhuma evidência disso aqui em nosso próprio sistema solar. Ninguém jamais relatou qualquer anomalia nas órbitas dos planetas. No entanto, tudo isso foi medido com muita precisão. Se o universo for 95% escuro, os efeitos devem ser mensuráveis localmente.

Deveria ser assim? Este foi um dos primeiros pensamentos que tive quando aprendi sobre a matéria escura, cerca de 17 anos atrás. Vamos investigar e descobrir a verdade.

A teia cósmica de matéria escura e a estrutura em grande escala que ela forma. A matéria normal está presente, mas é apenas 1/6 da matéria total. Os outros 5/6 são matéria escura, e nenhuma quantidade de matéria normal vai se livrar dela. (The Millenium Simulation, V. Springel et al.)

A grande ideia da matéria escura é que, em algum ponto do Universo muito jovem, antes de formarmos galáxias, estrelas ou mesmo átomos neutros, havia um mar quase perfeitamente liso de matéria escura espalhado por ele. Com o tempo, a gravitação e as outras forças atuam por meio de uma série de etapas inter-relacionadas:

toda a matéria, normal e escura, atrai gravitacionalmente,

as regiões com densidade acima da média crescem, atraindo preferencialmente os dois tipos de matéria,

a radiação empurra de volta contra a matéria normal, colidindo com ela,

mas não a matéria escura, pelo menos, não da mesma maneira.

Isso cria um padrão muito particular de superdensidades e subdensidades no Universo; um padrão que é revelado quando olhamos para o Fundo Cósmico de Microondas (CMB).

As flutuações no Fundo Cósmico de Microondas são de magnitude tão pequena e de um padrão tão particular que indicam fortemente que o Universo começou com a mesma temperatura em todos os lugares e contém matéria escura, matéria normal e energia escura em proporções particulares. (ESA e a Colaboração Planck)

O CMB é o brilho residual do Big Bang: a radiação que viaja direto para nossos olhos a partir do momento em que os átomos neutros se formam pela primeira vez de forma estável. O que vemos, hoje, é um instantâneo do Universo enquanto ele faz a transição de um plasma ionizado para um conjunto de átomos eletricamente neutro: onde a resistência da radiação torna-se insignificante. Os pontos frios correspondem a regiões superdensas, já que a radiação tem que gastar energia extra (acima da média) para sair do poço gravitacional em que está; os pontos quentes são regiões igualmente pouco densas.

Uma análise detalhada do Universo revela que ele é feito de matéria e não de antimatéria, que a matéria escura e a energia escura são necessárias e que não sabemos a origem de nenhum desses mistérios. No entanto, as flutuações na CMB, a formação e as correlações entre a estrutura em grande escala e as observações modernas de lentes gravitacionais apontam para a mesma imagem. (Chris Blake e Sam Moorfield)

Como a matéria normal também interage consigo mesma, o colapso gravitacional se comporta de maneira diferente para a matéria normal e para a escura. Quando um aglomerado de matéria normal gravita, ele começa a entrar em colapso. O colapso ocorre primeiro ao longo da dimensão mais curta, mas a matéria normal interage e colide com outras partículas de matéria normal, da mesma forma que suas mãos, embora os átomos sejam em sua maioria espaços vazios, “batem palmas” quando você tenta passá-los um pelo outro. Isso cria um disco de matéria, que então gira: esta é a origem de tudo, desde galáxias em forma de disco (espirais) até sistemas solares que têm seus planetas orbitando em um plano. A matéria escura, por outro lado, não colide com ela mesma ou com a matéria normal, o que significa que permanece em um halo muito grande e extremamente difuso. Mesmo que haja mais matéria escura do que matéria normal, sua densidade em, digamos, nossa galáxia, é muito menor onde objetos como estrelas são encontrados.

O halo de matéria escura ao redor de nossa galáxia deve exibir diferentes probabilidades de interação conforme a Terra orbita o Sol, variando nosso movimento através da matéria escura em nossa galáxia. (ESO / L. Calçada)

Então, agora, chegamos à grande questão. E o efeito da matéria escura no Sistema Solar? Uma grande parte do que você provavelmente está pensando é verdade: deveríamos ter partículas de matéria escura voando pelo espaço em todos os lugares, incluindo em toda a nossa Via Láctea. Isso significa que deve haver matéria escura em nosso Sistema Solar, em nosso Sol, passando por nosso planeta e até mesmo em nossos corpos. A grande questão que você precisa fazer é esta: em comparação com as massas do Sol, dos planetas e de outros objetos em nosso Sistema Solar, qual é a massa relevante e interessante devido à matéria escura?

No sistema solar, em uma primeira aproximação, o Sol determina as órbitas dos planetas. Para uma segunda aproximação, todas as outras massas (como planetas, luas, asteróides, etc.) desempenham um grande papel. Mas para adicionar matéria escura, teríamos que ser extremamente sensíveis. (Usuário Dreg743 da Wikipedia)

Para responder a isso, precisamos primeiro entender o que determina as órbitas dos objetos em nosso Sistema Solar. O Sol é, de longe, a massa dominante no Sistema Solar. Em uma aproximação notável, ele determina as órbitas dos planetas. Mas, para Vênus, o planeta Mercúrio é interior a ele; para uma primeira aproximação, a órbita de Vênus é determinada pelas massas combinadas do Sol mais Mercúrio. Para Júpiter, sua órbita é determinada pelo Sol mais os planetas rochosos internos e o cinturão de asteróides. E para qualquer objeto orbital em geral, sua órbita é determinada pela massa total envolvida por uma esfera imaginária centrada no Sol, com aquele objeto na borda da esfera.

Na Relatividade Geral, se você tem uma distribuição uniforme de matéria escura (ou qualquer forma de massa) uniformemente por todo o espaço, é apenas a massa envolvida pelo sistema específico que você está orbitando que afeta seu movimento; a massa uniforme externa não desempenha nenhum papel. (Mark Whittle, da Universidade da Virgínia)

Se houver um mar de matéria escura que permeia o espaço onde estamos – em todo o Sistema Solar – os planetas externos devem ver uma massa ligeiramente diferente (maior) do que os planetas internos. E se houver matéria escura suficiente, deve ser detectável. Como conhecemos a massa da Via Láctea, as densidades relativas da matéria normal e escura, e temos simulações que nos dizem como a densidade da matéria escura deve se comportar, podemos chegar a algumas estimativas muito boas. Ao fazer esses cálculos, você descobre que cerca de 10¹³ kg de matéria escura deve ser sentida pela órbita da Terra, enquanto cerca de 10¹ kg seria sentida por um planeta como Netuno.

Mas esses valores são minúsculos em comparação com as outras massas de conseqüência! O Sol tem uma massa de 2 × 10³ kg, enquanto a Terra é mais parecida com 6 × 10² kg. Valores como o que sugerimos, na faixa de 10¹³ – 10¹ kg, são a massa de um único asteróide modesto. Algum dia, podemos entender o Sistema Solar bem o suficiente para que essas pequenas diferenças sejam detectáveis, mas estamos a um bom fator de 100.000+ de distância disso agora.

Nossa galáxia está inserida em um halo enorme e difuso de matéria escura, indicando que deve haver matéria escura fluindo através do sistema solar. Mas não é muito, em termos de densidade, e isso torna extremamente difícil de detectar localmente. (Robert Caldwell e Marc Kamionkowski Nature 458, 587-589 (2009))

Em outras palavras, a matéria escura deve estar presente no Sistema Solar e deve afetar desproporcionalmente o movimento dos planetas externos em relação aos internos, com base na quantidade de massa envolvida por uma esfera centrada no Sol no raio do planeta. Você pode se perguntar, com base no arranjo do Sistema Solar, se as interações de muitos corpos entre a matéria escura, um planeta e o Sol podem fazer com que matéria escura adicional seja capturada pelo Sistema Solar. Esse era um problema divertido e foi o assunto de um artigo que co-escrevi há cerca de 10 anos. O que descobrimos foi que a densidade da matéria escura pode ser bastante aumentada, mas apenas se você não considerar que o que é capturado provavelmente será novamente ejetado muito rapidamente. Mesmo assim, o valor máximo possível hoje, após 4,5 bilhões de anos (em roxo), ainda está abaixo da melhor restrição observacional.

A quantidade de matéria escura galáctica delimitada por planetas em vários raios em nosso sistema solar (azul), junto com a quantidade total de matéria escura que se espera ser capturada (roxa) ao longo da vida do sistema solar, ignorando as ejeções e a melhor restrição , de um estudo de 2013, sobre a quantidade máxima de matéria escura que poderia estar presente. Ainda não atingimos o regime testável. (X. Xu e E. R. Siegel, via http://arxiv.org/pdf/0806.3767v1.pdf)

Temos matéria escura em nosso Sistema Solar e ela deve ter efeitos reais em todas as outras partículas de matéria ao seu redor. Se houver qualquer seção transversal de interação entre as partículas de matéria normal e as partículas de matéria escura, os experimentos de detecção direta devem ter a chance de descobri-la aqui na Terra. E mesmo se não houver, os efeitos gravitacionais da matéria escura que passa pelo Sistema Solar, tanto capturada gravitacionalmente quanto livre gravitacionalmente, devem afetar as órbitas dos planetas. Mas até que nossas medições se tornem cada vez mais precisas, simplesmente não há efeito gravitacional suficiente para resultar em algo detectável. Por enquanto, temos que olhar para o Universo além, não nosso próprio Sistema Solar, para ver os efeitos da matéria escura no espaço-tempo.

Publicado em 21/08/2020 19h30

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