A "matéria escura" invisível no espaço está forçando as galáxias a evoluir

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

Quanto mais tempo o mistério da matéria escura permanece sem solução, mais hipóteses exóticas sobre sua natureza aparecem, incluindo a mais nova ideia da herança de buracos negros gigantes do Universo anterior.

Para saber que algo existe, não é necessário vê-lo. Assim, outrora, de acordo com a influência gravitacional no movimento de Urano, foram descobertos Netuno e Plutão, e hoje está em andamento uma busca por um hipotético Planeta X na periferia do sistema solar. Mas e se encontrarmos tal influência em todo o Universo? Veja as galáxias, por exemplo. Parece que, se o disco galáctico girar, a velocidade das estrelas diminuirá com o aumento da órbita. Este, por exemplo, é o caso dos planetas do sistema solar: a Terra gira em torno do Sol a 29,8 km / se Plutão - a 4,7 km / s. No entanto, já na década de 1930, as observações da nebulosa de Andrômeda mostraram que a velocidade de rotação de suas estrelas permanece quase constante, não importa o quão longe na periferia elas estejam. Essa situação é típica de galáxias e, entre outros motivos, levou ao surgimento do conceito de matéria escura.

Carnaval de problemas

Acredita-se que não a vemos diretamente: essa substância misteriosa praticamente não interage com as partículas comuns, inclusive não emite ou absorve fótons, mas podemos percebê-la pelo efeito gravitacional em outros corpos. As observações dos movimentos das estrelas e nuvens de gás possibilitam a compilação de mapas detalhados do halo de matéria escura em torno do disco da Via Láctea, falando sobre o importante papel que desempenha na evolução de galáxias, aglomerados e toda a grande escala. estrutura do Universo. No entanto, outras dificuldades começam. O que é essa misteriosa matéria escura? Em que consiste e quais propriedades suas partículas têm?

Por muitos anos, os WIMPs têm sido os principais candidatos para esse papel - partículas hipotéticas que são incapazes de participar de qualquer interação que não seja gravitacional. Eles estão tentando detectá-los tanto indiretamente, pelos produtos de raras interações com a matéria comum, quanto diretamente, usando instrumentos poderosos, incluindo o Grande Colisor de Hádrons. Infelizmente, em ambos os casos, não há resultados.

“O cenário em que o LHC encontra apenas o bóson de Higgs e nada mais foi chamado de 'cenário de pesadelo' por uma razão”, diz Sabine Hossenfelder, professora da Universidade de Frankfurt. "O fato de que nenhum sinal de nova física foi encontrado me serve como um sinal inequívoco: algo está errado aqui." Outros cientistas também perceberam esse sinal. Após a publicação de resultados negativos de pesquisas por vestígios de matéria escura usando o LHC e outros instrumentos, o interesse por hipóteses alternativas sobre sua natureza está claramente crescendo. E algumas dessas soluções parecem ainda mais exóticas do que o carnaval brasileiro.

Uma miríade de buracos

E se WIMPs não existirem? Se a matéria escura é uma matéria que não podemos ver, mas vemos os efeitos de sua gravidade, então talvez sejam apenas buracos negros? Teoricamente, nos primeiros estágios da evolução do Universo, eles poderiam ter se formado em grandes números - não a partir de estrelas gigantes mortas, mas como resultado do colapso de matéria superdensa e quente que preencheu o espaço incandescente. Um problema: até agora nem um único buraco negro primordial foi encontrado, e não se sabe ao certo se eles existiram. No entanto, existem outros buracos negros no Universo que são adequados para essa função.

As observações da sonda espacial distante Voyager 1 não revelaram quaisquer vestígios da radiação Hawking, o que poderia indicar o aparecimento de buracos negros primordiais de tamanho microscópico. No entanto, isso não exclui a existência de objetos semelhantes maiores. Desde 2015, o interferômetro LIGO já registrou 11 ondas gravitacionais, sendo 10 delas causadas por fusões de pares de buracos negros com massas de dezenas de massas solares. Isso em si é extremamente inesperado, porque tais objetos são formados como resultado de explosões de supernovas, e a estrela falecida perde a maior parte de sua massa no processo. Acontece que os precursores dos buracos mesclados eram estrelas de tamanhos realmente ciclópicos, que não deveriam ter nascido no Universo há muito tempo. Outro problema é criado pela formação de sistemas binários por eles. Uma explosão de supernova é um evento tão poderoso que qualquer objeto próximo será lançado para longe. Em outras palavras, o LIGO detectou ondas gravitacionais de objetos, cuja aparência permanece um mistério.

No final de 2018, tais objetos foram abordados pelo astrofísico do Instituto de Ciência e Tecnologia de Greenwich Nikolai Gorkavy e pelo ganhador do Prêmio Nobel John Mather. Seus cálculos mostraram que buracos negros com massas de dezenas de massas solares poderiam muito bem somar um halo galáctico, que permaneceria praticamente invisível para observação e, ao mesmo tempo, criaria todas as anomalias características na estrutura e movimento das galáxias. Ao que parece, de onde na periferia distante da galáxia vem o número necessário de buracos negros tão grandes? Afinal, a grande maioria das estrelas massivas nasce e morre mais perto do centro. A resposta que Gorkavy e Mather dão é quase inacreditável: esses buracos negros não "surgiram", em certo sentido sempre existiram, desde o início do Universo. Esses são os resquícios do ciclo anterior em uma sequência infinita de expansões e contrações do mundo.

A linha sólida mostra a velocidade orbital real das estrelas e do gás orbitando o centro da galáxia; pontilhado - esperado na ausência da influência da matéria escura.

Relíquias do renascimento

Em geral, o Big Bounce não é um modelo novo em cosmologia, embora não comprovado, existindo no mesmo nível de muitas outras hipóteses da evolução do cosmos. É possível que na vida do universo, os períodos de expansão sejam de fato substituídos por contração, o "Grande Colapso" - e uma nova explosão, o nascimento do mundo da próxima geração. No entanto, no novo modelo, esses ciclos são conduzidos por buracos negros, agindo tanto como matéria escura quanto como energia escura - uma substância ou força misteriosa que causa a expansão acelerada de nosso Universo.

Supõe-se que, ao absorver matéria e fundir-se uns com os outros, os buracos negros podem acumular mais e mais da massa total do Universo. Isso deve levar a uma desaceleração em sua expansão e, em seguida, à contração. Por outro lado, quando os buracos negros se fundem, uma parte significativa de sua massa é perdida com a energia das ondas gravitacionais. Portanto, o buraco resultante será mais leve do que a soma de seus termos anteriores (por exemplo, a primeira onda gravitacional registrada pelo LIGO nasceu quando buracos negros de 36 e 29 massas solares se fundem com a formação de um buraco com massa de "apenas "62 massas solares). Assim, o Universo também pode perder massa, contraindo-se e preenchendo-se com buracos negros cada vez maiores, incluindo um dos maiores - o central.

Finalmente, após uma longa série de fusões de buracos negros, quando uma parte significativa da massa do Universo "vazar" na forma de ondas gravitacionais, ela começará a se espalhar em todas as direções. Do lado de fora, parecerá uma explosão - o Big Bang. Ao contrário da imagem clássica do Big Rebound, a destruição completa do mundo anterior não ocorre em tal modelo, e o novo Universo herda diretamente alguns objetos do pai. Em primeiro lugar, são todos os mesmos buracos negros, prontos para desempenhar novamente os dois papéis principais - tanto a matéria escura quanto a energia escura.

Grande antepassada

Portanto, nesta imagem incomum, a matéria escura acaba sendo grandes buracos negros, que são herdados do Universo para o Universo. Mas não devemos nos esquecer do buraco negro "central", que deveria se formar em cada um desses mundos na véspera de sua morte e persistir no próximo. Cálculos feitos por astrofísicos mostraram que sua massa no espaço de hoje pode atingir incríveis 6 x 1051 kg, 1/20 da massa de toda a matéria bariônica, e aumentar continuamente. Seu crescimento pode levar a uma expansão cada vez mais rápida do espaço-tempo e se manifestar como uma expansão acelerada do Universo.

Claro, a presença de tal massa ciclópica deve levar ao aparecimento de não homogeneidades perceptíveis na estrutura em grande escala do Universo. Já existe um candidato para tal heterogeneidade - o astronômico Eixo do Mal. Esses são sinais relativamente fracos, mas muito alarmantes da anisotropia do Universo - a estrutura que se manifesta nele em escalas maiores e não concorda de forma alguma com as visões clássicas sobre o Big Bang e tudo o que aconteceu depois dele.

Ao longo do caminho, a hipótese exótica também resolve outro enigma astronômico - o problema do aparecimento inesperado de buracos negros supermassivos. Tais objetos estão localizados nos centros de grandes galáxias e, por meios desconhecidos, conseguiram ganhar massa em milhões e até bilhões de massas solares já nos primeiros 1 a 2 bilhões de anos de existência do Universo. Não está claro onde eles poderiam, em princípio, encontrar tanta substância, e ainda mais quando eles poderiam ter tempo para absorvê-la. Mas dentro da estrutura da ideia com buracos negros "herdados", essas questões são removidas, porque seus embriões poderiam ter nos chegado do Universo passado.

É uma pena que a hipótese extravagante de Gorkavy ainda seja apenas uma hipótese. Para que se torne uma teoria plena, é necessário que suas previsões coincidam com os dados observacionais - e com aqueles que não podem ser explicados pelos modelos tradicionais. É claro que pesquisas futuras permitirão comparar os cálculos fantásticos com a realidade, mas isso obviamente não acontecerá num futuro próximo. Portanto, embora as perguntas sobre onde a matéria escura está oculta e o que é a energia escura, permanecem sem resposta.