Patricia Burchat esclarece a matéria escura

Como física de partículas, eu estudo as partículas elementares e como elas interagem no nível mais fundamental. Na maior parte de minhas pesquisas, eu tenho usado aceleradores, como o acelerador de elétrons da Universidade de Stanford, bem próximo daqui, para estudar as coisas na menor das escalas. Mas, mais recentemente, tenho voltado minha atenção para o universo em sua maior escala. Porque, como irei explicar a vocês, as questões na menor e na maior escala estão de fato muito ligadas. Assim, vou contar a vocês sobre nossa visão do universo no século XXI, do que é feito e quais são as grandes questões nas ciências físicas -- ao menos algumas das grandes questões.

Recentemente, nós percebemos que a matéria comum no universo, -- e por matéria comum eu quero dizer você, eu, os planetas, as estrelas, as galáxias -- a matéria comum constitui apenas uma pequena porcentagem do conteúdo do universo. Quase um quarto, ou aproximadamente um quarto da matéria no universo é alguma coisa que é invisível. Por invisível eu quero dizer que ela não absorve no espectro eletromagnético, ela não emite no espectro eletromagnético, ela não reflete. Ela não interage com o espectro eletromagnético, que é o que usamos para detectar as coisas. Ela não interage de maneira alguma. Então como sabemos que ela está lá? Sabemos que ela está lá por seus efeitos gravitacionais. De fato, a matéria escura domina os efeitos gravitacionais no universo em grande escala, e eu contarei a vocês sobre as evidências disso.

E o resto da torta? O resto da torta é uma substância muito misteriosa chamada energia escura. Falaremos sobre isso mais tarde, OK? Então, por enquanto, vamos nos voltar às evidências da matéria escura. Nestas galáxias, especialmente em uma galáxia espiral como esta, a maior parte da massa das estrelas está concentrada no meio da galáxia. Essa enorme massa de todas essas estrelas mantém as estrelas em órbitas circulares na galáxia. Então temos estrelas girando em círculos assim. Como você pode imaginar, -- mesmo que você não conheça Física, isto deve ser intuitivo, OK? -- as estrelas próximas à massa no centro girarão a uma velocidade maior que essas mais distantes aqui, OK?

Então o que se esperaria é que se você medisse a velocidade orbital das estrelas, elas deveriam ser mais lentas nas bordas que no interior. Em outras palavras, se medíssemos a velocidade em função da distância, (Esta é a única vez que mostrarei um gráfico, OK?) nós esperariámos que ela diminuísse à medida em que a distância aumentasse do centro da galáxia. Quando essas medições são feitas, ao invés disso, o que encontramos é que a velocidade é basicamente constante em função da distância. Se ela é constante, isso significa que as estrelas aqui fora estão sentindo os efeitos gravitacionais de matéria que não vemos. De fato, esta galáxia e todas as outras galáxias parecem estar envolvidas por uma nuvem dessa matéria escura invisível. E essa nuvem de matéria é muito mais esférica que a própria galáxia, e ela se estende por uma área muito maior que a galáxia. Então nós vemos a galáxia e nos fixamos nisso, mas na realidade é uma nuvem de matéria escura que está dominando a estrutura e a dinâmica desta galáxia.

As galáxias também não estão espalhadas aleatoriamente no espaço: elas tendem a se agrupar. E este é um exemplo de um agrupamento muito famoso: o aglomerado Coma. E existem milhares de galáxias neste aglomerado. Elas são as coisas brancas, embaçadas e elípticas aqui. Esses aglomerados de galáxias... nós tiramos uma foto agora, tiramos uma foto daqui a uma década: eles parecerão idênticos. Mas essas galáxias estão na verdade se movendo a velocidades extremamente altas. Elas estão se movendo em um manancial de potencial gravitacional deste aglomerado, OK? Portanto todas estas galáxias estão se movendo. Nós podemos medir as velocidades destas galáxias, suas velocidades orbitais, e descobrir quanta massa existe neste aglomerado.

E, de novo, o que encontramos é que existe muito mais massa lá do que pode ser calculada pelas galáxias que vemos. Ou se olharmos em outras partes do espectro eletromagnético, veremos também que existe muito gás neste aglomerado. Mas isso também não é responsável pela massa. De fato, parece haver umas dez vezes mais massa aqui na forma de matéria invisível ou escura do que na forma de matéria comum, OK? Seria bom se pudéssemos ver essa matéria escura de uma maneira um pouco mais direta. Eu só estou colocando uma grande bolha azul ali para tentar lembrá-los de que ela está lá. Nós podemos representá-la mais visualmente? Sim, podemos.

E deixem-me mostrar a vocês como podemos fazer isso. Aqui está um observador: pode ser um olho, poderia ser um telescópio. E suponha que exista uma galáxia aqui no universo. Como vemos essa galáxia? Um raio de luz sai da galáxia e viaja através do universo por talvez bilhões de anos antes de entrar no telescópio ou em seu olho. Agora, como deduzimos onde a galáxia está? Bem, nós deduzimos pela direção em que o raio está viajando quando ele atinge o nosso olho, certo? Nós dizemos: "O raio de luz veio desta direção: a galáxia deve estar lá", OK? Agora, suponha que eu coloque no meio um aglomerado de galáxias -- e não esqueça a matéria escura, OK? Agora, se nós considerarmos um raio de luz diferente, um saindo desta maneira, nós agora precisamos levar em conta o que o Einstein previu quando ele desenvolveu a relatividade geral. E foi que o campo gravitacional, devido à massa, não defletirá somente a trajetória das partículas, mas defletirá a própria luz.

Portanto este raio de luz não vai continuar em uma linha reta, mas ao invés disso vai se desviar e poderá acabar indo para o nosso olho. Onde este observador verá a galáxia? Vocês podem responder. Em cima, certo? Nós extrapolamos e dizemos que a galáxia está aqui em cima. Existe algum outro raio de luz que poderia chegar ao olho do observador vindo dessa galáxia? Sim, ótimo! Estou vendo pessoas gesticulando para baixo assim. Então um raio de luz poderia ir para baixo e ser desviado para cima até o olho do observador, e o observador vê um raio de luz aqui.

Agora, leve em conta o fato de que vivemos em um universo tridimensional, OK? Um espaço tridimensional. Existem outros raios de luz que podem chegar ao olho? Sim! Os raios irão formar um... Sim, um cone. Assim, há todo um conjunto de raios de luz, dispostos em um cone, que serão desviados por aquele aglomerado e chegarão ao olho do observador. Se existe um cone de luz vindo para o meu olho, o que eu vejo? Um círculo, um anel. Ele é chamado de anel de Einstein -- Einstein previu isso, OK? Agora, ele só será um anel perfeito se a fonte, o defletor e o olho, neste caso, estiverem todos em uma linha perfeitamente reta. Se eles estiverem levemente desalinhados, veremos uma imagem diferente.

Agora, vocês podem fazer um experimento esta noite na cerimônia para descobrir como a imagem será. Porque acontece que existe um tipo de lente que podemos criar, que tem a forma exata para produzir esse tipo de efeito. Nós chamamos isso de lente gravitacional. E então este é o seu instrumento, OK? (Risadas) Mas ignore a parte superior. É na base que eu quero que você se concentre, OK? Em casa, quando quebramos uma taça de vinho, eu guardo o fundo e levo-o para a oficina. Nós o raspamos, e eu tenho uma pequena lente gravitacional, OK? Ela tem a forma certa para produzir o efeito. E então a próxima coisa que você tem que fazer em seu experimento é pegar um guardanapo. Eu peguei um pedaço de papel milimetrado; eu sou uma física, afinal. (Risadas) Desenhe um pequeno esboço de galáxia no centro. E agora coloque a lente sobre a galáxia e você verá um anel, um anel de Einstein. Agora, mova a base para o lado, e o anel irá dividir-se em arcos, OK? E você pode colocá-lo sobre qualquer imagem. No papel milimetrado você pode ver como todas as linhas do papel foram distorcidas. E, novamente, isto é meio que um modelo preciso do que acontece com as lentes gravitacionais.

OK, então a questão é: nós vemos isto no céu? Vemos arcos no céu quando olhamos para, digamos, um aglomerado de galáxias? E a resposta é: sim. Portanto, aqui está uma imagem do Telescópio Espacial Hubble. Muitas das imagens que vocês estão vendo são imagens mais antigas do Telescópio Espacial Hubble. Bem, primeiramente, as galáxias douradas, elas são as galáxias no aglomerado. Elas são as que estão envolvidas por aquele mar de matéria escura que está fazendo o desvio da luz causar essas ilusões de óptica, ou miragens, praticamente, das galáxias do fundo. Então estas raias que você vê, todas estas raias, são na verdade imagens distorcidas de galáxias que estão muito mais distantes.

O que podemos fazer, então, é, baseados em quanta distorção nós vemos nessas imagens, podemos calcular quanta massa deve existir neste aglomerado. E é uma enorme quantidade de massa. E também, você pode verificar, ao olhar para isto, que estes arcos não estão centrados em galáxias individuais; eles estão centrados em alguma estrutura mais espalhada. Que é a matéria escura em que o aglomerado está imerso, OK? Então isto é o mais próximo que você pode chegar de ver ao menos os efeitos da matéria escura a olho nu.

OK, então uma rápida revisão, para verificar se vocês estão acompanhando. As evidências que temos de que um quarto do universo é matéria escura -- essa coisa gravitacional atrativa -- são: a velocidade com que as estrelas estão orbitando as galáxias é muito grande: elas devem estar imersas em matéria escura; a velocidade com que as galáxias dentro de aglomerados estão orbitando é muito grande: elas devem estar imersas em matéria escura; e nós vemos os efeitos de lentes gravitacionais, essas distorções que dizem novamente que os aglomerados estão imersos em matéria escura.

Ok. Agora, vamos nos voltar para a energia escura. Para entender as evidências para a energia escura, precisamos discutir algo a que o Stephen Hawking se referiu na sessão anterior. Que é o fato de que o próprio espaço está se expandindo. Então, se imaginarmos uma parte do nosso universo infinito... e eu coloquei quatro galáxias espirais, OK? E imagine que você colocou uma série de fitas métricas, de modo que cada linha aqui corresponda a uma fita métrica, horizontal ou vertical, para medir onde as coisas estão. Se pudesse fazer isto, o que você descobriria é que a cada dia decorrido, a cada ano decorrido, a cada bilhão de anos decorrido, a distância entre as galáxias está ficando maior. E não é porque as galáxias estão se afastando umas das outras através do espaço; elas não estão necessariamente se movendo através do espaço. Elas estão se afastando umas das outras porque o próprio espaço está aumentando, OK? Isso é o que a expansão do universo ou do espaço significa. Portanto, elas estão se separando.

Agora, o que o Stephen Hawking citou também é que, após o Big Bang, o espaço se expandiu muito rapidamente. Mas como a matéria, que exerce atração gravitacional, está envolvida nesse espaço, ela tende a retardar a expansão do espaço, OK? Assim a expansão desacelera com o tempo. Por isso, no último século, as pessoas debateram se essa expansão do espaço iria continuar para sempre; se ela desaceleraria, sabe, se ficaria cada vez mais lenta, mas continuaria para sempre; se desaceleraria e pararia, assintoticamente pararia; ou se desaceleraria, pararia e então se inverteria, de modo que o universo começasse a se contrair novamente. Então, pouco mais de uma década atrás, dois grupos de físicos e astrônomos começaram a medir a taxa a que a expansão do espaço estava desacelerando, OK? Quão mais lentamente ele está expandindo hoje comparado com, vamos dizer, alguns bilhões de anos atrás?

A surpreendente resposta para essa pergunta, vinda desses experimentos, foi que o espaço está se expandindo a uma taxa mais rápida hoje do que estava uns poucos bilhões de anos atrás, OK? Então a expansão do espaço está na verdade se acelerando. Esse foi um resultado totalmente surpreendente. Não existe nenhum argumento teórico convincente sobre por que isto acontece, OK? Ninguém estava prevendo que isso é que seria descoberto. Era o oposto do que era esperado. Então precisamos de algo capaz de explicar isso. Agora, acontece que, na matemática, você pode colocar esse algo como um termo que é uma energia. Mas ela é um tipo de energia completamente diferente de tudo que já vimos antes. Nós a chamamos de energia escura, e ela tem o efeito de fazer o espaço se expandir. Mas não temos um bom motivo para colocá-la lá no presente momento, OK? Então não está realmente explicado por que devemos colocá-la.

Agora, neste ponto, o que eu quero enfatizar mesmo para vocês é que, primeiro, matéria escura e energia escura são coisas completamente diferentes, OK? Existem de fato dois mistérios ainda sem solução sobre o que constitui a maior parte do universo, e eles têm efeitos muito diferentes. A matéria escura, como atrai gravitacionalmente, tende a encorajar o crescimento de estruturas, OK? Assim, aglomerados de galáxias tenderão a se formar devido a toda essa atração gravitacional. A energia escura, por outro lado, está colocando mais e mais espaço entre as galáxias, fazendo a atração gravitacional entre elas diminuir, portanto ela impede o crescimento de estruturas. Então ao olhar para coisas como aglomerados de galáxias, e como eles... sua quantidade, densidade, quantos existem em função do tempo, podemos aprender sobre como a matéria escura e a energia escura competem uma com a outra na formação de estruturas.

No que concerne à matéria escura... Eu disse que não temos qualquer argumento realmente persuasivo para ter certeza sobre a energia escura, né? Temos alguma coisa sobre a matéria escura? E a resposta é: sim. Nós temos candidatos bem fundamentados para a matéria escura. Agora, que quero dizer com bem fundamentado? Quero dizer que temos teorias consistentes matematicamente que na verdade foram introduzidas para explicar fenômenos completamente diferentes, OK? Coisas das quais nem falei, cada qual prevendo a existência de uma nova partícula de interação muito fraca.

Isto é exatamente o que você quer em física: acontecer de uma previsão vir de uma teoria consistente matematicamente que na verdade foi desenvolvida para outra coisa. Mas não sabemos se cada uma delas é mesmo a candidata à matéria escura, OK? Uma ou ambas, quem sabe? Ou pode ser algo completamente diferente. Agora, nós procuramos por essas partículas de matéria escura porque, afinal, elas estão aqui na sala, e elas não entraram pela porta. Elas simplesmente passam através de qualquer coisa. Elas podem atravessar o prédio, atravessar a terra; elas não são nada interativas.

Assim, uma maneira de procurá-las é construir detectores que são extremamente sensíveis a uma partícula de matéria escura atravessando-os e colidindo com eles, de modo a vibrar um cristal caso isso aconteça. Um de meus colegas daqui de perto e seus colaboradores construíram um detector desse tipo. E o colocaram bem fundo numa mina de ferro em Minnesota, bem abaixo do chão. E, de fato, nos últimos dias, eles anunciaram os resultados mais sensíveis até agora. Eles não viram nada, mas esses resultados colocam limites sobre quais são a massa e a força de interação dessas partículas de matéria escura. Será lançado um telescópio satélite este ano, e ele irá observar o centro da galáxia para ver se podemos enxergar partículas de matéria escura se destruindo e produzindo raios gama, detectáveis por ele. O Grande Colisor de Hádrons, um acelerador de partículas que será ligado este ano... É possível que partículas de matéria escura sejam produzidas no Grande Colisor de Hádrons.

Agora, como elas são tão não-interativas, elas na verdade vão escapar do detector, de modo que sua assinatura será a energia faltante, OK? Só que, infelizmente, existem várias coisas novas para a Física cuja assinatura poderia ser energia faltante, então será difícil distingüir. E, finalmente, para futuros esforços, existem telescópios sendo projetados especificamente visando às questões da matéria escura e da energia escura: telescópios terrestres; e existem três telescópios espaciais que estão competindo neste momento para serem lançados para investigar a matéria escura e a energia escura. Então, no que diz respeito às grandes questões: O que é a matéria escura? O que é a energia escura? -- as grandes questões que afrontam os físicos --, tenho certeza de que vocês têm um montão de perguntas. Que gostarei muito de discutir nas próximas 72 horas em que estarei aqui, OK? Obrigada. (Aplausos)