Na década de 80, a astrônoma Vera Rubin acumulou observações sobre um fato bastante estranho, ao estudar as curva de rotação das galáxias espirais. Elas não giravam como era esperado pela gravitação newtoniana e na Relatividade Geral, e a diferença era grande. Devido à grande diferença observada entre a curva da galáxia e a curva do disco, foi levantada a hipótese que o halo continha muito mais matéria do que o imaginado e que essa matéria somente sofria a ação da gravidade, não emitindo nenhum tipo de radiação eletromagnética. Daí o nome ―Matéria Escura‖. Pode-se mostrar que a curva de rotação de uma galáxia espiral deve variar em função da posição do elemento de massa com a distância até o centro. A relação entre a energia potencial gravitacional e a energia cinética de um elemento de matéria a uma distância r do centro da Galáxia, de acordo com a 2ª lei de Newton, é dada por:
E determinando uma relação para a massa contida dentro de uma esfera de raio R, obtemos:
O que sugere que, a velocidade deve aumentar proporcionalmente à massa e, fora dos limites do objeto, cair rapidamente a zero. A Figura mostra as curvas de velocidade de rotação devidas ao disco, gás e halo de uma galáxia espiral típica.
Ela nos mostra algo completamente inesperado: a curva combinada da Figura deveria cair como a curva do disco, caso a matéria do halo fosse desprezível em relação à massa do disco.
Entretanto, nota-se claramente que a velocidade do halo também cresce e, para raios maiores que os raios determinados por meio de observações ópticas, tende à velocidade de toda a Galáxia. As estimativas dinâmicas (via leis de Newton) dessa matéria não-luminosa ou ―escura‖ indicam que ela é quase 10 vezes maior que a quantidade de matéria comum ou bariônica, como pode ser visto na Tabela mostrada a seguir. Pode-se argumentar que também existe matéria escura bariônica: anãs negras, nuvens moleculares frias (―escuras‖) e outros objetos que não emitem luz visível. A resposta é que sempre será possível tentar medir esses objetos feitos de bárions por meio da emissão infravermelho ou rádio. Quanto à matéria não-bariônica, ela somente pode ser percebida através de efeitos da gravidade; pois não emite radiação eletromagnética. Para ela existem diversos candidatos, entre eles o neutrino, que é o mais conhecido.
Veremos que a matéria escura é responsável por algo da ordem de 3o% de toda a densidade do Universo e conclui-se que, mesmo falando somente de matéria, somos constituídos de matéria que é a exceção do que existe no Universo. Em outras palavras, praticamente desconhecemos de que tipo de matéria o Universo é feito.
A energia escura é uma grandeza ainda mais complicada de definir, porque simplesmente não sabemos o que ela é ou como medi-la. Ela foi percebida pela primeira vez, quando dos trabalhos de medida de distancias de galáxias, usando supernovas como velas padrão, as galáxias estavam se deslocando, claro, mas havia uma pequena mas detectável aceleração que não se conseguia explicar. Pode-se dar a ela diversos significados, todos mais ou menos relacionados com um termo constante colocado por Einstein nas suas equações da Relatividade Geral para garantir que sua representação do Universo fosse estática, como ele acreditava, chamada de constante cosmológica. Porém, em 1929, Hubble mostrou que o Universo estava em expansão e a constante colocada por Einstein saiu de moda. Ainda estamos esperando uma explicação para a energia escura assim como mais confirmações de seu alcance.
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