Nova teoria diz que a matéria escura não existe 26 de novembro de 2016

E então acontece que ele pode não existir! Aqui estão esses tempos!

Podemos estar à beira de uma revolução científica que mudará radicalmente nossa compreensão de espaço, tempo e gravidade”, diz o físico Erik Verlinde. A teoria geral da relatividade de Einstein não pode ser aplicada em escala microscópica e aparentemente não pode explicar fenômenos como o buraco negro e o Big Bang. A ideia de matéria escura invisível e energia escura não pode explicar as observações que contradizem a teoria de Einstein.

O físico holandês Eric Verlinde propõe uma teoria completamente nova que pode explicar o movimento no universo sem ser influenciado pela matéria escura.

Verlinde nega a força de atração como uma das forças fundamentais e acredita que é um fenômeno que surge como consequência de outros movimentos menores. Ele chama isso de gravidade emergente.

Em 2011, o Prêmio Nobel de Física foi concedido a três astrofísicos Saul Perlmutter, Adam Riess e Brian Schmidt.

Os cientistas descobriram o que é considerado um dos primeiros avanços na astrofísica teórica, ou seja, que o universo está acelerando sua expansão, e não desacelerando, como se pensava anteriormente.

Saul Perlmutter começou este trabalho em 1988 estudando a luz das supernovas. Seis anos depois, Adam Riess e Brian Schmidt assumiram o comando, e as duas equipes teriam brigado sobre as descobertas.

Ambas as equipes esperavam que a expansão do universo desacelerasse devido à gravidade entre as galáxias, uma das consequências da teoria geral da relatividade de Einstein. Ambas as equipes, entretanto, chegaram à mesma conclusão: a suposição estava errada, o universo está se expandindo cada vez mais rápido.

Com base na teoria de Einstein de 1915, havia uma suposição de que a única força natural contínua capaz de influenciar a expansão do universo era a gravidade. Também se acreditava que as galáxias se atrairiam e, portanto, diminuiriam a taxa de expansão do universo após o Big Bang.

Ainda não sabemos exatamente qual é o erro. Não sabemos o que é essa força repulsiva, e só a chamamos de energia escura. Os cientistas sugeriram que 96% do universo é composto de matéria escura e energia escura.

O termo "matéria escura" também é usado para explicar por que as estrelas permanecem em uma galáxia retorcida em vez de voar para o universo.

Mas: não é só a pessoa comum que acredita que a ideia de alguma força invisível no universo não é totalmente correta.

O renomado físico holandês Eric Verlinde publicou um artigo científico no qual afirma que pode explicar o movimento sem a influência da matéria escura sobre ele, escreve phys.org.

O cerne da explicação de Verlinde é a controversa ideia de gravidade entrópica. Em 2010, surpreendeu a comunidade científica com esta sua teoria, que refutou a forma como as pessoas pensavam nos últimos 300 anos.

Segundo a teoria de Verlinde, a gravidade não é uma das quatro forças fundamentais, é algo que surge. Verlinde afirma que a gravidade é um fenômeno emergente.

Assim como o calor é gerado quando as partículas microscópicas se movem, a gravidade também o é - através de mudanças na posição dos corpos celestes montados na própria estrutura do espaço-tempo.

“Temos evidências de que essa maneira de ver a gravidade é realmente a mesma que observamos. Em larga escala, a força de atração se comporta de forma completamente diferente do previsto pela teoria de Einstein”, diz ele no site Phys.org.

No limiar da revolução científica

A ciência sabe há muito tempo que há algo incompreensível na teoria geral da relatividade de Einstein e nas teorias da mecânica quântica.

A primeira explica as coisas em grande escala, como as coisas no universo afetam umas às outras. A mecânica quântica é usada para explicar as coisas em um nível microscópico. Mas ambas as teorias não podem ser usadas simultaneamente entre si, o que é de fato um grande mistério da física moderna.

Ambas as teorias não podem ser verdadeiras ao mesmo tempo. Os problemas começam nas situações mais intensas, como a proximidade de um buraco negro e o Big Bang.

Verlinde acredita que estamos nos aproximando da solução do mistério, que exigirá muita reescrita nos livros didáticos.

“Muitos físicos teóricos, como eu, estão trabalhando para revisitar a teoria, e grandes avanços já foram dados. Talvez estejamos à beira de uma revolução científica que mudará radicalmente nossa compreensão de espaço, tempo e gravidade”, diz Verlinde em Phys.org.

Em geral, há uma opinião de que Não há mais nada para arrancar da velha teoria... os ossos estão roídos... e os filhos, e a esposa? Uma nova teoria é urgentemente necessária, e sob ela concede, prêmios, honras ...."

fontes

Ecologia do conhecimento. As partículas de matéria escura não produzem, refletem ou absorvem luz. No entanto, embora não possamos ver

As partículas de matéria escura não produzem, refletem ou absorvem luz. No entanto, embora não possamos ver a matéria escura diretamente e ainda não entendamos sua natureza, os cientistas concordam que ela torna até 26% do universo conhecido por nós, observando os efeitos gravitacionais que ela tem em outros objetos espaciais. Como o vento dobrando uma árvore, não vemos a matéria escura, mas sabemos que ela está lá. Com base nessas observações, os cientistas estão desenvolvendo teorias muito interessantes sobre essa substância misteriosa. Se for descoberto, nossa compreensão do universo se tornará muito mais clara.

Matéria escura pode causar extinção em massa

Michael Rampino, professor de biologia da Universidade de Nova York, acredita que o movimento da Terra através do disco galáctico (nossa região na Via Láctea) pode ser a causa das extinções em massa na Terra. Isso aconteceu porque nosso movimento interrompeu as órbitas dos cometas no sistema solar externo (conhecido como "nuvem de Oort") e causou um aumento no calor do núcleo do nosso planeta.

Juntamente com seus planetas, o Sol gira em torno do centro da Via Láctea a cada 250 milhões de anos. Durante sua jornada, ele percorre o disco galáctico a cada 30 milhões de anos. Rampino argumenta que a passagem da Terra pelo disco coincide com impactos de cometas e extinções em massa na Terra, incluindo o que aconteceu há 65 milhões de anos, quando os dinossauros morreram. Há também uma teoria de que imediatamente antes do asteroide acabar com os lagartos gigantes, suas fileiras foram significativamente reduzidas por erupções vulcânicas.

A combinação de atividade vulcânica incomum e o impacto de um asteroide coincide com a passagem da Terra pelo disco galáctico: “Durante a passagem pelo disco, as concentrações de matéria escura interrompem os caminhos dos cometas que tendem a voar longe da Terra no sistema solar externo”. diz Rampino. "Isso significa que os cometas, que normalmente viajam longas distâncias da Terra, seguem caminhos incomuns a ponto de impactar o planeta." Alguns acreditam que a teoria de Rampino não funciona porque os dinossauros morreram devido ao impacto de um asteróide, não de um cometa. No entanto, 4% da nuvem de Oort é composta de asteróides, o que equivale a cerca de oito bilhões.

Além disso, Rampino acredita que cada passagem da Terra pelo disco galáctico levou ao fato de que a matéria escura se acumulava no núcleo do planeta. À medida que as partículas de matéria escura se aniquilam, elas criam calor intenso, que pode causar erupções vulcânicas, mudanças no nível do mar, crescimento de montanhas e outras atividades geológicas que afetam seriamente a vida na Terra.

A Via Láctea pode ser um buraco de minhoca gigante

Talvez vivamos em um túnel gigante, que é um atalho pelo universo. Conforme previsto pela teoria geral da relatividade de Einstein, um buraco de minhoca é uma região na qual o espaço e o tempo se dobram, criando um "buraco de minhoca" em uma parte distante do universo. De acordo com astrofísicos da Escola Internacional de Estudos Avançados em Trieste, Itália, a matéria escura em nossa galáxia pode ser distribuída de forma a fornecer um buraco de minhoca estável no meio de nossa Via Láctea. Esses cientistas acreditam que é hora de repensar a natureza da matéria escura, talvez ela simplesmente represente parte de outra dimensão.

“Se combinarmos o mapa da matéria escura da Via Láctea com o modelo mais recente do Big Bang”, diz o professor Paulo Salucci, “e assumirmos a existência de túneis espaço-temporais, temos que nossa galáxia pode muito bem ter um desses túneis, e tal túnel pode ser do tamanho de uma galáxia inteira. Além disso, podemos até passar por esse túnel, pois será navegável de acordo com nossos cálculos. Como o que vimos no filme Interestelar.

Claro, isso é apenas uma teoria. Mas os cientistas acreditam que a matéria escura pode ser a chave para criar e observar o buraco de minhoca. Até agora, nenhum buraco de minhoca foi encontrado na natureza.

Descoberta do Galaxy X

Também conhecida como uma galáxia de matéria escura, a Galáxia X é uma galáxia anã praticamente invisível que pode ser a causa de estranhas ondulações no hidrogênio frio fora do disco da Via Láctea. Acredita-se que a Galáxia X seja uma galáxia satélite da Via Láctea em um aglomerado de quatro variáveis ​​Cefeidas, estrelas pulsantes que são usadas como marcadores para medir distâncias no espaço. Não podemos ver o resto desta galáxia anã porque é feita de matéria escura, de acordo com a teoria. No entanto, devido à atração gravitacional desta galáxia, as ondulações que vemos são criadas. Sem a fonte de gravidade na forma de matéria escura mantendo-os juntos, as quatro Cefeidas provavelmente voariam para longe.

“A descoberta de variáveis ​​Cefeidas mostra que nosso método de encontrar as localizações de galáxias anãs predominantemente de matéria escura funciona”, diz a astrônoma Sukania Chakrabarti. “Isso pode nos ajudar a entender do que a matéria escura é feita. Também mostra que a teoria da gravidade de Newton pode ser usada nos cantos mais distantes da galáxia e não há necessidade de mudar nossa teoria da gravidade."

Bóson de Higgs decai em matéria escura

Desenvolvido na década de 1970, o Modelo Padrão da física de partículas é um conjunto de teorias que essencialmente predizem todas as partículas subatômicas conhecidas no universo e como elas interagem. Com a confirmação em 2012 da existência do bóson de Higgs (também conhecido como “partícula de Deus”), o Modelo Padrão ficou completo. Infelizmente, este modelo não explica tudo e não diz nada sobre gravidade e matéria escura. A massa da partícula de Higgs também parece muito pequena para alguns cientistas.

Isso levou os cientistas da Chalmers University of Technology a criar um novo modelo baseado em supersimetria que equipa cada partícula conhecida do Modelo Padrão com um superparceiro mais pesado. De acordo com a nova teoria, uma pequena parte das partículas de Higgs decai em um fóton (uma partícula de luz) e dois gravitinos (partículas hipotéticas de matéria escura). Se esse modelo for confirmado, ele revolucionará completamente nossa compreensão dos blocos de construção fundamentais da natureza.

Matéria escura ao sol

Dependendo do método usado para analisar o Sol, a quantidade de elementos mais pesados ​​que o hidrogênio ou o hélio flutuará em 20 a 30%. Podemos medir cada um desses elementos observando o espectro de luz que emite, como uma impressão digital, ou estudando como isso afeta as ondas sonoras que passam pelo Sol. A misteriosa diferença nesses dois tipos de medição dos elementos do Sol é chamada de problema do excesso (ou abundância) solar.

Precisamos medir com precisão esses elementos para entender a composição química do Sol, bem como sua densidade e temperatura. De muitas maneiras, também nos ajudará a entender a composição e o comportamento de outras estrelas, bem como planetas e galáxias.

Por muitos anos, os cientistas não conseguiram desenvolver uma solução aceitável. Então o astrofísico Aaron Vincent e seus colegas sugeriram a presença de matéria escura no núcleo do Sol como uma possível resposta à pergunta. Depois de testar muitos modelos, eles chegaram a uma teoria que parecia funcionar. No entanto, incluía um tipo especial de matéria escura, "matéria escura assimétrica de interação fraca", que poderia ser matéria ou antimatéria ao mesmo tempo.

Com base nas medições da gravidade, os cientistas descobriram que o Sol envolve um halo de matéria escura. As partículas assimétricas de matéria escura não contêm muita antimatéria, então elas podem sobreviver ao contato com a matéria comum e se acumular no núcleo do Sol. Essas partículas também podem absorver energia no centro do Sol e depois transportar seu calor para as bordas externas, o que poderia explicar o problema do excesso solar.

A matéria escura pode ser macroscópica

Os cientistas da Case Western Reserve duvidam que estejamos procurando por matéria escura nos lugares certos. Em particular, eles sugerem que a matéria escura pode não ser composta de minúsculas partículas exóticas como WIMPs (partículas massivas de interação fraca), mas de objetos macroscópicos que variam de alguns centímetros ao tamanho de um asteroide. No entanto, os cientistas limitam sua teoria ao que já é observado no espaço. Daí sua crença de que o Modelo Padrão da física de partículas fornecerá a resposta. Não é necessário um novo modelo.

Os cientistas chamaram seus objetos de matéria escura de "macros". Eles não afirmam que WIMPs e áxions não existem, mas admitem que nossa busca por matéria escura pode incluir outros candidatos. Há exemplos de matéria que não é ordinária nem exótica, mas que se enquadra nos parâmetros do Modelo Padrão.

“A comunidade científica abandonou a ideia de que a matéria escura poderia ser composta de matéria comum no final dos anos 80”, diz o professor de física Glenn Starkman. “Estamos nos perguntando se estava errado e se a matéria escura pode consistir em matéria comum – quarks e elétrons?”

Detecção de matéria escura por GPS

Dois físicos propuseram o uso de satélites GPS para procurar matéria escura, que os cientistas acreditam que podem não ser partículas no sentido convencional, mas sim listras no tecido do espaço-tempo.

“Nosso estudo é impulsionado pela ideia de que a matéria escura pode ser organizada como uma coleção gigante de defeitos topológicos, ou rachaduras de energia, semelhante a gás”, diz Andrey Derevianko, da Universidade de Nevada. - Propomos detectar esses defeitos, a matéria escura, usando uma rede de relógios atômicos sensíveis. A ideia é que quando os relógios saírem de sincronia, saberemos que a matéria escura, um defeito topológico, passou naquele local. Na verdade, planejamos usar satélites GPS como o maior detector de matéria escura feito pelo homem.”

Cientistas analisam dados de 30 satélites GPS e tentam testar sua teoria com a ajuda deles. Se a matéria escura for realmente gasosa, a Terra passará por ela enquanto se move pela galáxia. Agindo como vento, os fragmentos de matéria escura serão levados pela Terra e seus satélites, fazendo com que os relógios GPS nos satélites e no solo fiquem fora de sincronia a cada três minutos. Os cientistas serão capazes de controlar discrepâncias de até um bilionésimo de segundo.

A matéria escura pode se alimentar de energia escura

De acordo com um estudo recente, a energia escura pode se alimentar de matéria escura à medida que interagem, o que por sua vez retarda o crescimento das galáxias e pode eventualmente deixar o universo quase completamente vazio. É possível que a matéria escura se decomponha em energia escura, mas ainda não sabemos disso. A espaçonave Planck recentemente refinou os números para a composição física do universo: 4,9% de matéria comum, 25,9% de matéria escura e 69,2% de energia escura.

Não vemos matéria escura ou energia escura. Esses termos nem são muito bem definidos pela comunidade científica. São mais como convenções que permanecerão até que entendamos o que realmente está acontecendo.

A matéria escura atrai e a energia escura repele. A matéria escura é a estrutura ou fundação sobre a qual as galáxias e seus conteúdos são construídos. Acredita-se que sua atração gravitacional mantém as estrelas juntas nas galáxias. A gravidade é mais forte quando os objetos estão mais próximos e mais fracos quando estão mais distantes.

Por outro lado, a energia escura significa a força que faz com que o universo se expanda, espalhando galáxias. À medida que a energia escura repele esses objetos, a gravidade enfraquece. Isso sugere que a expansão do espaço está acelerando e não diminuindo devido aos efeitos gravitacionais, como se acreditava.

“Desde o final da década de 1990, os astrônomos se convenceram de que algo está causando a aceleração da expansão do nosso universo”, diz o professor David Wands, da Universidade de Portsmouth. - A explicação simples é que o espaço vazio - vácuo - tem uma densidade de energia que é uma constante cosmológica. No entanto, há evidências crescentes de que esse modelo simples não pode explicar toda a gama de dados astronômicos aos quais os cientistas têm acesso. Em particular, o crescimento da estrutura cósmica, galáxias e aglomerados de galáxias é mais lento do que o esperado.”

A matéria escura causa ondulações no disco galáctico

Quando vistas do espaço da Terra, veremos que as estrelas terminam repentinamente a 50.000 anos-luz do centro de nossa galáxia. Portanto, este é o fim da galáxia. Não veremos nada sério até que estejamos a 15.000 anos-luz de distância dessa fronteira, o Anel do Unicórnio, as estrelas que ficam acima do plano de nossa galáxia. Alguns cientistas acreditavam que essas estrelas foram arrancadas de outra galáxia.

No entanto, uma nova análise de dados do Sloan Digital Sky Survey mostrou que o Anel Unicórnio é, de fato, parte de nossa galáxia. Isso significa que a Via Láctea é pelo menos 50% maior do que pensávamos - e o diâmetro de nossa galáxia está aumentando de 100.000-120.000 anos-luz para 150.000-180.000 anos-luz.

Olhando da Terra, não vemos que eles estão conectados devido a lacunas no disco galáctico. Essas ondulações são semelhantes a círculos concêntricos que irradiam de onde a pedra caiu na água. Uma onda sobe e bloqueia a visão do oceano, deixando apenas as ondas mais altas visíveis. Assim, embora nosso ponto de vista estivesse parcialmente bloqueado pela forma de nossa galáxia, vimos o Anel de Unicórnio como o topo de uma onda alta.

Esta descoberta muda nossa compreensão da estrutura da Via Láctea.

“Descobrimos que o disco da Via Láctea não é apenas um disco de estrelas em um plano, é corrugado”, diz Heidi Newberg, da Rensselaer School of Science. - Vemos pelo menos quatro depressões no disco da Via Láctea. E como essas quatro calhas são visíveis apenas do nosso ponto de vista, podemos supor que existem ondulações semelhantes em todo o disco da Via Láctea.

Os cientistas acreditam que essas ondulações podem ser causadas por um pedaço de matéria escura ou uma galáxia anã que corta a Via Láctea. Se essa teoria estiver correta, os vales concêntricos da Via Láctea podem ajudar os cientistas a analisar a distribuição da matéria escura em nossa galáxia.

Assinatura de raios gama

Até recentemente, a única maneira de os cientistas detectarem a matéria escura era observando seus possíveis efeitos gravitacionais em outros objetos espaciais. No entanto, os cientistas acreditam que os raios gama podem ser uma indicação direta de que a matéria escura está escondida em nosso universo. Eles podem já ter detectado a primeira assinatura de raios gama no Reticulum 2, uma galáxia anã recém-descoberta perto da Via Láctea.

Os raios gama são uma forma de radiação eletromagnética de alta energia emitida pelos centros densos das galáxias. Se a matéria escura é de fato composta de WIMPs, as partículas de matéria escura podem ser uma fonte de raios gama produzidos no processo de aniquilação mútua de WIMPs em contato. No entanto, os raios gama também podem ser emitidos por outras fontes, como buracos negros e pulsares. Se, no processo de análise, for possível separar uma fonte da outra, poderemos obter raios gama de matéria escura. Mas isso é apenas uma teoria.

Os cientistas acreditam que a maioria das galáxias anãs não possuem fontes importantes de raios gama, a matéria escura pode representar 99%. É por isso que os físicos das Universidades Carnegie Mellon, Brown e Cambridge ficaram empolgados em obter raios gama do Retículo 2.

“A detecção gravitacional da matéria escura pode nos dizer muito pouco sobre o comportamento das partículas de matéria escura”, diz Matthew Walker da Carnegie Mellon University. “Agora temos uma detecção não gravitacional que demonstra que a matéria escura se comporta como uma partícula, e isso é extremamente importante.”

Claro, permanece a possibilidade de que essa radiação gama tenha vindo de outras fontes que ainda não foram identificadas. No entanto,última descoberta de nove galáxias anãs perto da Via Láctea dá aos cientistas a oportunidade de explorar mais essa teoria. Publicados

A construção teórica em física, chamada de Modelo Padrão, descreve as interações de todas as partículas elementares conhecidas pela ciência. Mas isso é apenas 5% da substância existente no Universo, enquanto os 95% restantes são de natureza completamente desconhecida. O que é essa matéria escura hipotética e como os cientistas estão tentando detectá-la? Hayk Hakobyan, estudante do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou e funcionário do Departamento de Física e Astrofísica, fala sobre isso no âmbito de um projeto especial.

O Modelo Padrão de partículas elementares, finalmente confirmado após a descoberta do bóson de Higgs, descreve as interações fundamentais (eletrofracas e fortes) de partículas comuns conhecidas por nós: léptons, quarks e portadores de interação (bósons e glúons). No entanto, verifica-se que toda essa enorme teoria complexa descreve apenas cerca de 5-6% de toda a matéria, enquanto o restante não se encaixa nesse modelo. Observações desde os primeiros momentos da vida do nosso universo nos mostram que aproximadamente 95% da matéria que nos cerca é de natureza completamente desconhecida. Em outras palavras, vemos indiretamente a presença dessa matéria oculta devido à sua influência gravitacional, mas até agora não foi possível capturá-la diretamente. Esse fenômeno de massa oculta recebeu o codinome de "matéria escura".

A ciência moderna, especialmente a cosmologia, funciona de acordo com o método dedutivo de Sherlock Holmes

Agora o principal candidato do grupo WISP é o áxion, que surge na teoria da interação forte e tem uma massa muito pequena. Tal partícula é capaz de se transformar em um par fóton-fóton em campos magnéticos elevados, o que dá dicas de como se pode tentar detectá-la. O experimento ADMX usa grandes câmaras que criam um campo magnético de 80.000 gauss (que é 100.000 vezes o campo magnético da Terra). Em teoria, tal campo deve estimular o decaimento do áxion em um par fóton-fóton, que os detectores devem capturar. Apesar de inúmeras tentativas, WIMPs, áxions ou neutrinos estéreis ainda não foram detectados.

Assim, percorremos um grande número de diferentes hipóteses que procuram explicar a estranha presença de uma massa escura e, tendo rejeitado tudo o que é impossível com a ajuda de observações, chegamos a várias hipóteses possíveis que já podem ser trabalhadas.

Um resultado negativo na ciência também é resultado, pois limita os vários parâmetros das partículas, por exemplo, elimina a faixa de massas possíveis. De ano para ano, mais e mais novas observações e experimentos em aceleradores dão novos e mais rigorosos limites à massa e outros parâmetros das partículas de matéria escura. Assim, descartando todas as opções impossíveis e estreitando o círculo de buscas, a cada dia estamos nos aproximando de entender em que consiste 95% da matéria do nosso Universo.

Os cientistas deram um passo importante para resolver um dos principais mistérios do universo - a matéria escura, que se acredita preencher a maior parte do espaço sideral. Profissionais que trabalham em um projeto Pesquisa de Energia Escura , usando um poderoso telescópio nos Andes foram capazes de criar um mapa mostrando a distribuição da matéria escura. Nela grandes bobinas de matéria escura são visíveis, repletas de galáxias e separadas por espaço livre.

Até agora, os cientistas só conseguiram estudar a matéria escura medindo a distorção da luz de galáxias distantes. Como resultado, os especialistas querem medir energia escura- uma força ainda mais misteriosa que expande o universo a uma taxa cada vez maior.

Matéria escuraem astronomia e cosmologia, bem como em física teórica, uma forma hipotética de matéria que não emite ou interage com radiação eletromagnética. Esta propriedade desta forma de matéria torna impossível observá-la diretamente.

A conclusão sobre a existência de matéria escura foi feita com base em numerosos, consistentes entre si, mas indiretos sinais do comportamento dos objetos astrofísicos e dos efeitos gravitacionais que eles criam. A descoberta da natureza da matéria escura ajudará a resolver o problema da massa oculta, que, em particular, consiste na velocidade de rotação anormalmente alta das regiões externas das galáxias.

O termo tornou-se difundido após o trabalho de Fritz Zwicky. Zwicky mediu as velocidades radiais de oito galáxias no aglomerado Coma (a constelação Coma Berenices) e descobriu que para o aglomerado ser estável, deve-se supor que sua massa total é dezenas de vezes maior que a massa de suas estrelas constituintes. Logo outros astrônomos chegaram às mesmas conclusões para muitas outras galáxias. Desde a década de 1960, quando os meios observacionais da astronomia começaram a progredir rapidamente, o número de argumentos a favor da existência de matéria escura cresceu rapidamente. Ao mesmo tempo, estimativas de seus parâmetros obtidas de diferentes fontes e por diferentes métodos geralmente concordam entre si.

A presença de matéria desconhecida no Universo e sua influência acabou sendo uma situação típica no mundo das galáxias.

Foi realizado o estudo do movimento em sistemas de galáxias binárias e em aglomerados galácticos. Descobriu-se que nessas escalas, a proporção de matéria escura é muito maior do que no interior das galáxias.

A massa estelar das galáxias elípticas, segundo cálculos, é insuficiente para conter o gás quente que entra na galáxia, se não levarmos em conta a matéria escura.

A estimativa da massa dos aglomerados de galáxias que realizam lentes gravitacionais fornece resultados que incluem a contribuição da matéria escura e são próximos aos obtidos por outros métodos.

Um dos principais contribuintes no final dos anos 1960 e início dos anos 1970 foi a astrônoma Vera Rubin, da Carnegie Institution, que foi a primeira a fazer cálculos precisos e confiáveis ​​indicando a presença de matéria escura. Juntamente com um co-autor (Kent Ford), Rubin anunciou a descoberta na conferência da American Astronomical Society em 1975 que a maioria das estrelas em galáxias espirais se move em órbitas com aproximadamente a mesma velocidade angular, o que leva à ideia de que a densidade de massa nas galáxias é o mesmo para aquelas regiões. , onde a maioria das estrelas (protuberância), e para aquelas regiões na borda do disco, onde há poucas estrelas.

Publicado em 2012, um estudo dos movimentos de mais de 400 estrelas localizadas a até 13.000 anos-luz do Sol não encontrou evidências de matéria escura em um grande volume de espaço ao redor do Sol. De acordo com as previsões das teorias, a quantidade média de matéria escura nas proximidades do Sol deveria ter sido de cerca de 0,5 kg no volume da Terra. No entanto, as medições deram um valor de 0,00±0,06 kg de matéria escura neste volume. Isso significa que tentativas de registrar matéria escura na Terra, por exemplo, em raras interações de partículas de matéria escura com matéria "comum", dificilmente podem ser bem sucedidas.

De acordo com dados publicados em março de 2013 pelo observatório espacial Planck, a massa-energia total do Universo observável consiste em 4,9% de matéria ordinária (bariônica), 26,8% de matéria escura e 68,3% de energia escura. Assim, o Universo é 95,1% composto de matéria escura e energia escura.

A suposição mais natural parece ser que a matéria escura consiste em matéria bariônica comum. , por algum motivo interagindo eletromagneticamente fracamente e, portanto, não detectável no estudo, por exemplo, linhas de emissão e absorção.

No entanto, os modelos teóricos fornecem uma grande seleção de possíveis candidatos para o papel da matéria invisível não bariônica - são eles: neutrinos leves, neutrinos pesados, áxions, cosmions e partículas supersimétricas como fotinos, gravitinos, higgsinos, sneutrinos, vinhos e zinos.

Existem teorias alternativas de matéria escura e energia escura:

Matéria de outras dimensões (universos paralelos)

Em algumas teorias sobre dimensões extras, a gravidade é aceita como um tipo único de interação que pode atuar em nosso espaço a partir de dimensões extras. Essa suposição ajuda a explicar a relativa fraqueza da força gravitacional em comparação com as outras três forças principais (eletromagnética, forte e fraca). O efeito da matéria escura pode ser logicamente explicado pela interação da matéria visível de nossas dimensões comuns com a matéria massiva de outras ( extra, invisível) através da gravidade. Ao mesmo tempo, outros tipos de interações não podem perceber essas dimensões e essa matéria nelas de forma alguma, eles não podem interagir com ela. A matéria em outras dimensões (na verdade, em um universo paralelo) pode se formam em estruturas (galáxias, aglomerados de galáxias) de maneira semelhante às nossas medições ou formam suas próprias estruturas exóticas, que em nossas medições são sentidas como um halo gravitacional em torno de galáxias visíveis.

Defeitos topológicos no espaço

A matéria escura pode ser simplesmente defeitos primordiais (originados no momento do Big Bang) no espaço e/ou a topologia de campos quânticos, que podem conter energia, causando forças gravitacionais.

Artigos do ciclo, examinamos a estrutura do universo visível. Falamos sobre sua estrutura e as partículas que formam essa estrutura. Sobre os nucleons, que desempenham o papel principal, pois é deles que consiste toda a matéria visível. Sobre fótons, elétrons, neutrinos, além de atores secundários envolvidos na atuação universal que se desenrola 14 bilhões de anos desde o Big Bang. Parece que não há mais nada para falar. Mas não é. O fato é que a substância que vemos é apenas uma pequena parte do que nosso mundo consiste. Todo o resto é algo sobre o qual não sabemos quase nada. Esse "algo" misterioso é chamado de matéria escura.

Se as sombras dos objetos não dependessem da magnitude destes últimos,
mas teriam seu próprio crescimento arbitrário, então, talvez,
em breve não haveria um único ponto brilhante em todo o globo.

Kozma Prutkov

O que acontecerá com o nosso mundo?

Após a descoberta em 1929 por Edward Hubble do desvio para o vermelho nos espectros de galáxias distantes, ficou claro que o Universo está se expandindo. Uma das perguntas que surgiram nesse sentido foi a seguinte: por quanto tempo a expansão continuará e como ela terminará? As forças de atração gravitacional que atuam entre partes separadas do Universo tendem a desacelerar o descontrole dessas partes. O que a desaceleração levará depende da massa total do Universo. Se for grande o suficiente, as forças da gravidade interromperão gradualmente a expansão e será substituída pela contração. Como resultado, o Universo acabará por "colapsar" novamente até o ponto em que começou a se expandir. Se a massa for menor que alguma massa crítica, a expansão continuará para sempre. Costuma-se falar não de massa, mas de densidade, que se relaciona com a massa por uma relação simples conhecida de um curso escolar: densidade é massa dividida pelo volume.

O valor calculado da densidade média crítica do Universo é de aproximadamente 10 -29 gramas por centímetro cúbico, o que corresponde a uma média de cinco nucleons por metro cúbico. Deve-se enfatizar que estamos falando da densidade média. A concentração característica de nucleons na água, terra e em nós é de cerca de 10 30 por metro cúbico. No entanto, no vazio que separa aglomerados de galáxias e ocupa a maior parte do volume do Universo, a densidade é dez ordens de grandeza menor. O valor da concentração de núcleons, calculado em média ao longo de todo o volume do Universo, foi medido dezenas e centenas de vezes, contando cuidadosamente o número de estrelas e nuvens de gás e poeira usando vários métodos. Os resultados de tais medições diferem um pouco, mas a conclusão qualitativa permanece a mesma: o valor da densidade do Universo mal atinge alguns por cento do crítico.

Portanto, até a década de 70 do século XX, a previsão geralmente aceita era a eterna expansão do nosso mundo, o que inevitavelmente levaria à chamada morte térmica. A morte por calor é um estado de um sistema quando a substância nele é distribuída uniformemente e suas diferentes partes têm a mesma temperatura. Como consequência, nem a transferência de energia de uma parte do sistema para outra, nem a redistribuição da matéria são possíveis. Em tal sistema, nada acontece e nunca pode acontecer novamente. Uma analogia clara é a água derramada sobre uma superfície. Se a superfície for irregular e houver pelo menos pequenas diferenças de altitude, a água se move ao longo dela de lugares mais altos para lugares mais baixos e eventualmente se acumula nas terras baixas, formando poças. O movimento pára. O único consolo era que a morte por calor ocorreria em dezenas e centenas de bilhões de anos. Portanto, não se pode pensar nessa perspectiva sombria por muito, muito tempo.

No entanto, gradualmente ficou claro que a verdadeira massa do Universo é muito maior do que a massa visível contida em estrelas e nuvens de gás e poeira e, muito provavelmente, está perto do crítico. E talvez exatamente igual a ele.

Evidências da existência de matéria escura

A primeira indicação de que algo estava errado com o cálculo da massa do universo apareceu em meados da década de 1930. O astrônomo suíço Fritz Zwicky mediu a velocidade com que as galáxias do Aglomerado Coma (um dos maiores aglomerados conhecidos por nós, inclui milhares de galáxias) se movem em torno de um centro comum. O resultado foi desanimador: as velocidades das galáxias acabaram sendo muito mais altas do que se poderia esperar com base na massa total observada do aglomerado. Isso significava que a verdadeira massa do aglomerado Coma Berenices era muito maior do que a visível. Mas a principal quantidade de matéria presente nesta região do Universo permanece, por algum motivo, invisível e inacessível a observações diretas, manifestando-se apenas gravitacionalmente, ou seja, apenas como massa.

A presença de uma massa oculta em aglomerados de galáxias também é evidenciada por experimentos nas chamadas lentes gravitacionais. A explicação deste fenômeno decorre da teoria da relatividade. De acordo com ela, qualquer massa deforma o espaço e, como uma lente, distorce o curso retilíneo dos raios de luz. A distorção que um aglomerado de galáxias causa é tão grande que é fácil perceber. Em particular, a partir da distorção da imagem da galáxia que fica atrás do aglomerado, pode-se calcular a distribuição da matéria no aglomerado de lentes e, assim, medir sua massa total. E acontece que é sempre muitas vezes maior do que a contribuição da matéria visível do aglomerado.

40 anos após o trabalho de Zwicky, na década de 70, a astrônoma americana Vera Rubin estudou a velocidade de rotação em torno do centro galáctico da matéria localizado na periferia das galáxias. De acordo com as leis de Kepler (e elas decorrem diretamente da lei da gravitação universal), ao se mover do centro da galáxia para sua periferia, a velocidade de rotação dos objetos galácticos deve diminuir inversamente com a raiz quadrada da distância ao centro . As medições mostraram que para muitas galáxias esta velocidade permanece quase constante a uma distância muito considerável do centro. Esses resultados podem ser interpretados de apenas uma maneira: a densidade da matéria nessas galáxias não diminui ao se afastar do centro, mas permanece quase inalterada. Como a densidade da matéria visível (contida nas estrelas e no gás interestelar) cai rapidamente em direção à periferia da galáxia, algo deve fornecer a densidade ausente que não podemos ver por algum motivo. Uma explicação quantitativa das dependências observadas da taxa de rotação na distância ao centro das galáxias requer que esse “algo” invisível seja cerca de 10 vezes maior que a matéria visível comum. Esse "algo" é chamado de "matéria escura" (em inglês " matéria escura”) e ainda continua sendo o mistério mais intrigante da astrofísica.

Outra importante evidência da presença de matéria escura em nosso mundo vem de cálculos que modelam a formação de galáxias que começou cerca de 300.000 anos após o início do Big Bang. Esses cálculos mostram que as forças de atração gravitacional que atuaram entre os fragmentos voadores da matéria que surgiram durante a explosão não conseguiram compensar a energia cinética da expansão. A matéria simplesmente não deveria ter se reunido nas galáxias que, no entanto, observamos na era moderna. Esse problema foi chamado de paradoxo galáctico e por muito tempo foi considerado um sério argumento contra a teoria do Big Bang. No entanto, se assumirmos que partículas de matéria comum no Universo primitivo foram misturadas com partículas de matéria escura invisível, então tudo se encaixa nos cálculos e as extremidades começam a convergir - a formação de galáxias a partir de estrelas e, em seguida, aglomerados de galáxias torna-se possível. Ao mesmo tempo, como mostram os cálculos, a princípio um grande número de partículas de matéria escura se amontoou em galáxias e só então, devido às forças gravitacionais, elementos de matéria comum se reuniram nelas, cuja massa total era apenas uma pequena porcentagem da massa. massa total do Universo. Acontece que o mundo visível familiar e aparentemente estudado em detalhes, que muito recentemente consideramos quase compreendido, é apenas uma pequena adição a algo em que o Universo realmente consiste. Planetas, estrelas, galáxias e você e eu somos apenas uma tela para um enorme "algo" sobre o qual não temos ideia.

Fotofato

Um aglomerado de galáxias (no canto inferior esquerdo da área circulada) cria uma lente gravitacional. Ele distorce a forma dos objetos localizados atrás da lente - esticando suas imagens em uma direção. Com base na magnitude e direção da atração, uma equipe internacional de astrônomos do Observatório do Sul da Europa, liderada por cientistas do Instituto de Astrofísica de Paris, traçou a distribuição de massa mostrada na imagem abaixo. Como você pode ver, muito mais massa está concentrada no aglomerado do que pode ser visto através de um telescópio.

Caçar objetos maciços escuros não é um negócio rápido, e na foto o resultado não parece o mais espetacular. Em 1995, o telescópio Hubble notou que uma das estrelas da Grande Nuvem de Magalhães brilhou mais forte. Esse brilho durou mais de três meses, mas depois a estrela voltou ao seu estado natural. E seis anos depois, um objeto pouco luminoso apareceu ao lado da estrela. Esta foi a anã fria, que, passando a uma distância de 600 anos-luz da estrela, criou uma lente gravitacional que amplifica a luz. Os cálculos mostraram que a massa desta anã é apenas 5-10% da massa do Sol.

Finalmente, a teoria geral da relatividade liga de maneira única a taxa de expansão do universo com a densidade média da matéria contida nele. Supondo que a curvatura média do espaço seja igual a zero, ou seja, a geometria de Euclides opera nele, e não a de Lobachevsky (o que é verificado de forma confiável, por exemplo, em experimentos com radiação cósmica de fundo em micro-ondas), essa densidade deve ser igual a 10 - 29 gramas por centímetro cúbico. A densidade da matéria visível é cerca de 20 vezes menor. Os 95% que faltam da massa do universo é matéria escura. Observe que o valor da densidade medido a partir da taxa de expansão do Universo é crítico. Dois valores, calculados independentemente de maneiras completamente diferentes, corresponderam! Se na realidade a densidade do Universo é exatamente igual à crítica, isso não pode ser uma coincidência, mas é consequência de alguma propriedade fundamental do nosso mundo, que ainda precisa ser compreendida e compreendida.

O que é isso?

O que sabemos hoje sobre a matéria escura, que compõe 95% da massa do universo? Quase nada. Mas nós sabemos algo. Em primeiro lugar, não há dúvida de que a matéria escura existe - isso é irrefutavelmente evidenciado pelos fatos citados acima. Também sabemos com certeza que a matéria escura existe em várias formas. Depois no início do século 21, como resultado de muitos anos de observações em experimentos SuperKamiokande(Japão) e SNO (Canadá), verificou-se que os neutrinos têm massa, ficou claro que de 0,3% a 3% de 95% da massa oculta está em neutrinos que conhecemos há muito tempo - mesmo que sua massa seja extremamente pequena , mas o número de O universo é cerca de um bilhão de vezes maior que o número de nucleons: cada centímetro cúbico contém uma média de 300 neutrinos. Os restantes 92-95% consistem em duas partes - matéria escura e energia escura. Uma fração insignificante da matéria escura é composta de matéria bariônica comum construída a partir de nucleons; aparentemente, algumas partículas desconhecidas, massivas e de interação fraca (a chamada matéria escura fria) são responsáveis ​​pelo restante. O balanço de energia no Universo moderno é apresentado na tabela, e a história de suas três últimas colunas está abaixo.

bárion matéria escura

Uma pequena parte (4-5%) da matéria escura é matéria comum que não emite ou quase não emite sua própria radiação e, portanto, é invisível. A existência de várias classes de tais objetos pode ser considerada experimentalmente confirmada. Os experimentos mais complexos baseados na mesma lente gravitacional levaram à descoberta dos chamados objetos maciços de halo compacto, ou seja, localizados na periferia dos discos galácticos. Isso exigiu rastrear milhões de galáxias distantes ao longo de vários anos. Quando um corpo escuro massivo passa entre o observador e uma galáxia distante, seu brilho diminui por um curto período de tempo (ou aumenta, pois o corpo escuro atua como uma lente gravitacional). Como resultado de buscas minuciosas, tais eventos foram identificados. A natureza dos objetos de halo compactos massivos não é completamente clara. Muito provavelmente, são estrelas resfriadas (anãs marrons) ou objetos semelhantes a planetas que não estão associados a estrelas e viajam pela galáxia por conta própria. Outro representante da matéria escura bariônica é um gás quente recentemente descoberto em aglomerados de galáxias usando astronomia de raios-X, que não brilha na faixa visível.

Matéria escura não bariônica

Os principais candidatos à matéria escura não bariônica são os chamados WIMPs (abreviação de inglês Partículas maciças fracamente interativas são partículas massivas de interação fraca). Uma característica dos WIMPs é que eles quase não se manifestam na interação com a matéria comum. É por isso que eles são a verdadeira matéria escura invisível e são extremamente difíceis de detectar. A massa de um WIMP deve ser pelo menos dezenas de vezes maior que a massa de um próton. A busca por WIMP foi realizada em muitos experimentos nos últimos 20-30 anos, mas apesar de todos os esforços, eles ainda não foram descobertos.

Uma ideia é que se tais partículas existem, então a Terra, em seu movimento com o Sol em órbita ao redor do centro da Galáxia, deveria voar através de uma chuva de WIMPs. Apesar do fato de que WIMP é uma partícula de interação extremamente fraca, ainda tem uma probabilidade muito pequena de interagir com um átomo comum. Neste caso, em instalações especiais - muito complexas e caras - um sinal pode ser registrado. O número de tais sinais deve mudar ao longo do ano, pois, movendo-se em órbita ao redor do Sol, a Terra muda sua velocidade e direção de movimento em relação ao vento, consistindo em WIMP. O grupo experimental DAMA, trabalhando no laboratório subterrâneo italiano Gran Sasso, relata as variações anuais observadas na taxa de contagem de sinais. No entanto, outros grupos ainda não confirmam esses resultados, e a questão permanece essencialmente em aberto.

Outro método de busca de WIMPs é baseado na suposição de que durante bilhões de anos de sua existência, vários objetos astronômicos (Terra, Sol, o centro de nossa Galáxia) devem capturar WIMPs que se acumulam no centro desses objetos e, aniquilando-se a cada outro, dá origem a um fluxo de neutrinos. Tentativas de detectar o excesso de fluxo de neutrinos do centro da Terra para o Sol e para o centro da Galáxia foram feitas nos detectores de neutrinos subterrâneos e subaquáticos MACRO, LVD (laboratório Gran Sasso), NT-200 (Lago Baikal, Rússia) , SuperKamiokande, AMANDA (estação Scott -Amundsen, Pólo Sul), mas até agora não levaram a um resultado positivo.

Experimentos para procurar WIMP também estão sendo realizados ativamente em aceleradores de partículas elementares. De acordo com a famosa equação de Einstein E=mc 2 , a energia é equivalente à massa. Portanto, acelerando uma partícula (por exemplo, um próton) a uma energia muito alta e colidindo-a com outra partícula, pode-se esperar a criação de pares de outras partículas e antipartículas (incluindo WIMP), cuja massa total é igual a a energia total das partículas em colisão. Mas os experimentos do acelerador ainda não levaram a um resultado positivo.

energia escura

No início do século passado, Albert Einstein, querendo garantir que o modelo cosmológico na teoria da relatividade geral fosse independente do tempo, introduziu a chamada constante cosmológica nas equações da teoria, que ele denominou pela letra grega lambda - Λ. Este Λ ​​era uma constante puramente formal, na qual o próprio Einstein não via nenhum significado físico. Depois que a expansão do Universo foi descoberta, a necessidade dela desapareceu. Einstein lamentou profundamente sua pressa e chamou a constante cosmológica Λ de seu maior erro científico. No entanto, décadas depois, descobriu-se que a constante de Hubble, que determina a taxa de expansão do Universo, muda com o tempo, e sua dependência do tempo pode ser explicada pela escolha do valor da muito “errônea” constante de Einstein Λ, que contribui para a densidade latente do Universo. Esta parte da massa oculta ficou conhecida como "energia escura".

Ainda menos pode ser dito sobre a energia escura do que sobre a matéria escura. Primeiro, está distribuído uniformemente por todo o universo, ao contrário da matéria comum e de outras formas de matéria escura. Existe tanto em galáxias e aglomerados de galáxias quanto fora deles. Em segundo lugar, tem várias propriedades muito estranhas que só podem ser compreendidas analisando as equações da teoria da relatividade e interpretando suas soluções. Por exemplo, a energia escura experimenta antigravidade: devido à sua presença, a taxa de expansão do Universo está crescendo. A energia escura, por assim dizer, se separa, acelerando assim a dispersão da matéria comum coletada nas galáxias. A energia escura também tem pressão negativa, devido à qual surge uma força na substância que a impede de se esticar.

O principal candidato para o papel da energia escura é o vácuo. A densidade de energia do vácuo não muda com a expansão do Universo, que corresponde à pressão negativa. Outro candidato é um campo hipotético superfraco chamado de quintessência. As esperanças de esclarecimento da natureza da energia escura estão associadas principalmente a novas observações astronômicas. O progresso nessa direção, sem dúvida, trará um conhecimento radicalmente novo para a humanidade, pois, de qualquer forma, a energia escura deve ser uma substância completamente incomum, absolutamente diferente do que a física tratou até agora.

Então, nosso mundo é 95% de algo sobre o qual não sabemos quase nada. Pode-se tratar um fato tão inegável de diferentes maneiras. Pode causar ansiedade, que sempre acompanha um encontro com algo desconhecido. Ou decepção porque uma maneira tão longa e complicada de construir uma teoria física descrevendo as propriedades do nosso mundo levou a uma afirmação: a maior parte do Universo está escondida de nós e desconhecida para nós.

Mas a maioria dos físicos agora está exultante. A experiência mostra que todos os enigmas que a natureza colocou para a humanidade foram resolvidos mais cedo ou mais tarde. Sem dúvida, o enigma da matéria escura também será resolvido. E isso certamente trará conhecimentos e conceitos completamente novos sobre os quais ainda não temos ideia. E talvez encontremos novos mistérios, que, por sua vez, também serão resolvidos. Mas esta será uma história completamente diferente, que os leitores de Química e Vida poderão ler não antes de alguns anos. Ou talvez em algumas décadas.