Em outubro, o LIGO e seu homólogo europeu, VIRGO, testemunharam ondas gravitacionais ondulando de uma colisão de tirar o fôlego entre duas estrelas de nêutrons. Este evento sem precedentes parecia mais um triunfo para um novo tipo de astronomia, que poderia usar ondas gravitacionais para investigar alguns dos mistérios mais profundos do universo. Mas com toda a empolgação, a maioria das pessoas não percebeu que algo havia morrido: todo um grupo de teorias que postulam um universo sem matéria escura.
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Isso mesmo: uma consequência menos conhecida das notícias do LIGO é que talvez estejamos prestes a ver uma reformulação significativa do debate sobre a matéria escura - o material que parece atrair gravitacionalmente o material visível e dobrar o espaço, mas não pode ser visto . De acordo com um artigo postado no ArXiv preprint server por Richard Woodard, professor de física da Universidade da Flórida, a recente observação anula uma classe de teorias que procuravam explicar o comportamento da gravidade em escalas do tamanho de galáxias sem matéria escura.
Woodard observa que algumas dessas teorias, conhecidas como gravidade modificada (MOG) ou dinâmica newtoniana modificada (MOND), prevêem que as ondas gravitacionais e as ondas de luz chegariam em tempos diferentes. Ainda LIGO pegou as ondas gravitacionais e luz de duas estrelas de nêutrons colidindo dentro de cerca de 2 segundos um do outro. Como a fonte de ambos estava a 130 milhões de anos-luz de distância, essa é uma diferença de apenas uma parte em cerca de 1, 5 quatrilhões. Essencialmente, eles chegaram ao mesmo tempo.
Os tipos de modelos sobre os quais Woodard está falando - que ele chama de "emuladores de matéria escura" - tentam duplicar os efeitos da matéria escura, assumindo que a gravidade se comporta de maneira diferente do que a maioria dos cientistas pensa. "Nosso trabalho definitivamente não descarta todos os modelos de gravidade modificados que dispensam a matéria escura", esclareceu Woodard. "Aplica-se apenas à grande classe deles."
No entanto, enquanto eles podem ter enfrentado um golpe, os teóricos da anti-matéria escura não estão descendo sem lutar.
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Na teoria da relatividade geral de Albert Einstein, o espaço é curvado por objetos massivos. Um raio de fótons - também conhecido como luz - viaja ao longo da distância mais curta entre dois pontos (que nem sempre é uma linha reta). A relatividade geral diz que ondas gravitacionais e luz se movem nas mesmas linhas, ou métricas.
Mas enquanto a relatividade geral tem sido justificada ultimamente, não é a última palavra. Algumas teorias alternativas da gravidade tinham ondas gravitacionais movendo-se em um caminho diferente, ou métrico, da luz. Para obter esse efeito, uma teoria da gravidade modificada teria que postular que os caminhos das ondas gravitacionais são afetados apenas pela matéria visível que vemos, enquanto a luz (fótons) seria afetada pela matéria visível e qualquer efeito duplicado que se pareça com matéria escura.
Nesse cenário, as ondas gravitacionais e a luz chegariam a tempos amplamente diferentes. Mas desde que o LIGO viu os dois chegarem tão perto um do outro, parece uma poderosa evidência de que a gravidade funciona da maneira que a teoria de Einstein diz que faz - o que por sua vez reforçaria o caso da matéria escura.
No entanto, muito antes do LIGO, alguns físicos estavam insatisfeitos com a matéria escura e criaram outras teorias que procuravam explicar o que os astrônomos veem. Um conjunto de teorias é conhecido como gravidade Tensor-vetor-escalar (TeVeS), que adiciona um campo extra à gravidade. Desenvolvido por Jacob Bekenstein em 2004, já estava sob algum fogo porque parecia exigir neutrinos mais massivos do que os físicos estimaram até agora, e nem sempre produziam estrelas estáveis. Gravidade-Tensor-Vetor-Gravidade (STVG) também adiciona outro campo, embora de uma maneira diferente da TeVeS. A teoria diz que a gravidade fica mais forte à medida que você escala do sistema solar para as galáxias e depois para os aglomerados de galáxias. São essas duas classes de teorias que, segundo Woodard, estão descartadas pelos dados mais recentes.
Você pensaria que os físicos finalmente aceitariam que a matéria escura está lá fora, de qualquer forma que seja. Certo? Bem, os proponentes da gravidade modificada dizem que ainda não estão prontos.
John Moffat, pesquisador do Instituto Perimeter, em Waterloo, no Canadá, diz que Woodard simplesmente descaracterizou sua teoria. "Eles não explicam por que meu MOG é falsificado", disse ele em um email. "É verdade que essas teorias MOND são excluídas pelos dados de fusões de estrelas de nêutrons. Portanto, parece que minha MOG é a única teoria da gravidade sobrevivente que pode explicar a galáxia, os dados do aglomerado de galáxias e dados de cosmologia sem matéria escura detectável no universo presente. " Moffat diz que sua teoria, de fato, prevê que as ondas de luz e gravitacionais chegariam ao mesmo tempo.
"A melhor maneira de interpretar esse resultado não é provar que a matéria escura está correta, mas restringir como as teorias da gravidade modificadas devem ser construídas se elas quiserem dispensá-la", disse Woodard.
Caminhos Diferentes
Na década de 1970, a falecida astrônoma Vera Rubin, então na Carnegie Institution, descobriu que aquela matéria visível não se movia mais devagar quando se sai do centro galáctico (o modo como os planetas se movem mais lentamente à medida que se afasta do sol). A certa altura, tudo estava se movendo na mesma velocidade. Ou havia muita massa difusa ao redor das galáxias que não conseguíamos ver, ou a gravidade se comportava de maneiras que não eram aparentes antes.
As primeiras explicações para a questão invisível incluíam: gás, planetas desonestos, neutrinos e até buracos negros. Eventualmente, todos foram descartados em favor da atual concepção de matéria escura, feita de algo que só interagia por gravidade.
No entanto, alguns físicos achavam que a idéia da matéria escura era muito conveniente, algo inventado apenas para fazer a matemática funcionar. Talvez a gravidade tenha funcionado de maneira diferente em diferentes escalas, e a relatividade geral simplesmente não explicava isso, teorizaram eles.
Mordehai Milgrom, professor emérito do Instituto Weizmann de Ciência em Israel, foi um dos primeiros teóricos da MOND, tendo proposto sua versão na década de 1980. Em sua essência, sua teoria propõe que a dinâmica gravitacional muda quando as acelerações devido à força gravitacional ficam abaixo de um certo limite. Ele também postula que a gravidade e a luz viajam em diferentes métricas.
Em conjunto, essas teorias apresentavam, se não uma séria ameaça, pelo menos as insinuações de problemas com a matéria escura - até agora ”.
Matéria Negra FTW
A matéria escura não explicava apenas as curvas de rotação. Também explicava observações de lentes gravitacionais - a curvatura da luz por objetos massivos. Quando olhamos para algumas galáxias distantes, vemos objetos por trás delas como se fossem lentes, de acordo com a relatividade geral. A luz é dobrada por uma quantidade que não pode ser explicada pela massa visível. Esta foi outra evidência para a matéria escura (ou algo parecido).
A matéria escura também pode explicar por que o fundo de microondas cósmico tem a mesma aparência: é uniforme em média, mas em escalas menores é desajeitado, como seria de se esperar em um universo de matéria escura. "Uma das coisas que as alternativas aos teóricos da matéria escura nunca falam é que, se você não tem matéria escura, você não se depara com o fundo de microondas cósmico", diz Will Kinney, professor de física na Universidade em Buffalo. "Para meu conhecimento, nenhuma das teorias alternativas da matéria escura jamais teve qualquer explicação para os solavancos no espectro (fundo de microondas cósmico). Isso por si só me diz que essas teorias não vão funcionar."
Um bom exemplo é o cluster Bullet, uma região do espaço em que dois aglomerados de galáxias estão colidindo. Observações do cluster mostram efeitos de lentes que não se alinham com o material visível nele. No entanto, se assumirmos que a matéria escura está presente, mas ainda não se estabeleceu em torno do aglomerado, então a lente se encaixa na teoria da matéria escura, disse Kinney.
O caso de MOND
Mesmo assim, os arquitetos do contador de gravidade modificada com os problemas que a matéria escura possui. Uma delas é uma anomalia em torno do Bullet Cluster - o mesmo que a maioria diria sobre a teoria da matéria escura. De acordo com algumas observações, o Bullet Cluster está acelerando muito rápido; mesmo assumindo matéria escura, as velocidades estão "erradas". Além disso, a matéria escura prevê que as velocidades de rotação de algumas galáxias sejam inferiores às da gravidade modificada.
Além disso, algumas galáxias que parecem ter menos matéria visível ainda parecem mais massivas. Isso pode ser devido a muita matéria escura, mas não há nenhuma razão específica que deveria ser o caso. As teorias de MOND se saem melhor nesse sentido. "MOND tem mais poder preditivo. Pode-se usá-lo para prever a cinemática de galáxias aparentemente dominadas pela matéria escura. Você não pode fazer a mesma previsão com matéria escura. Tudo o que você pode dizer é 'aposto que a galáxia com pouca superfície tem muita escuridão importa! ", disse Stacy McGaugh, um astrofísico da Case Western Reserve University que trabalhou em teorias de gravidade modificadas." Isto com base na experiência anterior, e não na teoria, para a qual não há previsões concordadas. "
Outra questão é a distribuição do referido assunto. Milgrom observa que em quase todas as galáxias que foram observadas até agora, as curvas de rotação têm a mesma forma até o ponto onde a aceleração devido à gravidade em direção ao centro é de aproximadamente um bilionésimo de metro por segundo ao quadrado (aproximadamente o mesmo força gravitacional sentida por alguém a dois metros de um peso de 10 quilogramas).
Se existe matéria escura, não se espera que seja sempre distribuída. Seria como ir a todos os países da Terra e descobrir que a distribuição de renda era exatamente a mesma, apesar das histórias muito diferentes que cada país tem.
"No paradigma da matéria escura, a dinâmica atual é resultado da história complicada, cataclísmica e incognoscível da galáxia em estudo: de quantas fusões ela sofreu e de quão violenta elas eram, na ejeção de barions de a galáxia devido a vários processos mal compreendidos, etc ", diz ele. As teorias de MOND, ele acrescentou, fazem um trabalho melhor em prever o movimento da galáxia a esse respeito.
Mesmo Milgrom, entretanto, reconhece que há algumas áreas que as teorias da MOND também não prevêem, mesmo em suas versões relativistas de MOG - não reproduzindo o fundo de microondas cósmico observado, por exemplo. "Precisamos de uma extensão do MOND que seja responsável pela cosmologia. Isso é algo em que estamos trabalhando."
Sabine Hossenfelder, pesquisadora do Instituto de Estudos Avançados de Frankfurt, na Alemanha, concorda que a observação de Woodard tornaria alguns tipos de MOND ou MOG obsoletos, mas também não está convencida de que a matéria escura é a resposta. "É quase certo que a observação exclui teorias com as suposições que eles listam no artigo. Mas não está claro quais teorias de gravidade modificadas realmente cumprem as suposições", disse ela. Em seu blog, ela observou que a matéria escura funciona em todas as escalas, enquanto a gravidade modificada não funciona tão bem para a cosmologia.
Ethan Siegel, um astrofísico e autor, disse que as probabilidades são de que muitos campos de gravidade modificados sejam anulados pelas observações do LIGO. Como Hossenfelder, ele acredita que o problema para o MOND é a escala que descreve. "Moffat está certo: a MOND faz melhor do que a matéria escura nas escalas galácticas. Se você observar galáxias individuais e suas propriedades dinâmicas, o MOND tem a vantagem. O MOND falha em todas as outras escalas, porém." Algumas das teorias de Milgrom, ele disse, podem sobreviver - se a afirmação de Milgrom de que a gravidade obedece a regras diferentes das que a matéria no universo faz é verdadeira, por exemplo. "Esta é uma teoria que ainda pode sobreviver a esses resultados de ondas gravitacionais".
E apesar de seu trabalho em alternativas à gravidade, McGaugh disse que há coisas que apenas a matéria escura pode entender. "Eu não vejo como explicar o fundo de microondas cósmico ou aglomerados de galáxias (todos os aglomerados ricos, não apenas o aglomerado de balas) sem ele", diz ele. "Isso não significa que não pode acontecer, mas no momento Não vejo outra explicação viável ". Ao mesmo tempo, ele ainda não está comprometido com nenhum dos lados. "Nem são convincentes", diz ele.
Em outras palavras, espere que o debate continue furioso no futuro previsível - com a força de duas estrelas de nêutrons colidindo.
