Patricia Burchat clarifica a matéria escura

Como física de partículas, eu estudo as partículas elementares e como interagem no nível mais fundamental. Ao longo da maior parte da minha carreira de investigadora usei aceleradores, como o acelerador de electrões da Universidade de Stanford, aqui perto, para estudar coisas na mais pequena das escalas. Mas, recentemente, tenho voltado a minha atenção para o universo a grande escala. Porque, como vos explicarei, as questões do universo a grande e a pequena escala estão ligadas. Por isso vou falar-vos da visão que temos do universo no século XXI, de que é composto e quais são as grandes questões nas ciências físicas, pelo menos algumas das grandes questões.

Então, recentemente, percebemos que a matéria normal no universo, e por matéria normal quero dizer vocês e eu, os planetas, as estrelas, as galáxias, a matéria normal representa apenas uma pequena percentagem do conteúdo do universo. Quase um quarto, ou aproximadamente um quarto, da matéria no universo é algo invisível. E com isso quero dizer que não absorve no espectro electromagnético. Não emite no espectro electromagnético. Não reflecte. Não interage com o espectro electromagnético, que é o que usamos para detectar coisas. Não interage de todo. Então como sabemos que está lá? Sabemos que está lá pelos seus efeitos gravitacionais. Na verdade, esta matéria escura domina os efeitos gravitacionais no universo em grande escala, e vou falar-vos acerca das evidências para tal.

E o resto do bolo? O resto do bolo é uma substância muito misteriosa chamada energia escura. Volto a isso mais tarde, Ok? Para já, voltemo-mos para as evidências de matéria escura. Nestas galáxias, especialmente em galáxias em espiral como esta, a maior parte da massa das estrelas está concentrada no meio da galáxia. A enorme massa de todas estas estrelas mantem-nas em órbitas circulares na galáxia. Por isso temos estas estrelas a andar em círculos como este. Como podem imaginar, mesmo não sabendo física - isto deve ser intuitivo, Ok - as estrelas mais próximas da massa central têm rotações mais rápidas que aquelas que estão mais longe.

Então deveríamos esperar que se fossem medidas as velocidades orbitais das estrelas, estas deveriam ser mais lentas no exterior que no interior. Por outras palavras, se medíssemos a velocidade como função da distância, esta é a única vez que vos vou mostrar um gráfico, seria de esperar que baixasse à medida que a distância aumenta do centro da galáxia. Quando essas medições são feitas, verificamos, ao invés, que a velocidade é essencialmente constante, como função da distãncia. Se é constante, significa que as estrelas aqui estão a sentir os efeitos gravitacionais de matéria que nós não vemos. Na verdade, esta galáxia, como qualquer outra, aparenta estar imersa numa nuvem desta matéria escura invisível. E esta nuvem de matéria é muito mais esférica que as próprias galáxias, e estende-se por distâncias muito maiores que a galáxia. Então vemos a galáxia e fixamo-nos nisso, mas é uma nuvem de matéria escura que está a dominar a estrutura e as dinâmicas desta galáxia.

As próprias galáxias não estão espalhadas aleatoriamente no espaço; tendem a agrupar-se. E isto é um exemplo de um aglomerado bastante famoso, o aglomerado de Coma. E há milhares de galáxias neste aglomerado. São estas coisas brancas, difusas e elípticas. Estes aglomerados de galáxias, se tirarmos uma foto agora e tirarmos dentro de uma década, vão parecer idênticos. Mas estas galáxias estão a mover-se a altíssimas velocidades. Estão a mover-se no poço potencial gravitacional deste aglomerado. Então, todas estas galáxias estão em movimento. Podemos medir as velocidades destas galáxias, as suas velocidades orbitais, e perceber quanta massa existe neste aglomerado.

E, novamente, o que encontramos é que há lá muito mais massa que aquilo que pode ser contabilizado pelas galáxias que vemos. Ou se olharmos para outras partes do espectro electromagnético, vemos que também há muito gás neste aglomerado. Mas isso também não corresponde à massa em falta. Na verdade, parece haver cerca de 10 vezes mais massa aqui sob a forma desta matéria escura ou invisível do que há massa normal. Seria bom se pudéssemos ver esta matéria escura um pouco mais directamente. Sou eu que estou a colocar esta grande bolha azul, para vos lembrar que está lá. Podemos representar mais visualmente? Sim, podemos.

Então deixem-me mostrar-vos como podemos fazê-lo. Aqui está um observador: pode ser um olho; pode ser um telescópio. E suponham que há uma galáxia algures no universo. Como vemos esta galáxia? Um raio de luz deixa a galáxia e viaja através do universo por milhares de milhões de anos antes de entrar no telescópio ou nos vossos olhos. Agora, como podemos deduzir onde fica essa galáxia? Bem, podemos deduzir pela direcção em que o raio viaja quando atinge o nosso olho, certo? Dizemos, o raio de luz veio por aqui; a galáxia tem que estar ali. Agora, suponham que coloco no meio um aglomerado de galáxias. E não se esqueçam da matéria escura. Agora, se consideramos um raio de luz diferente, um que vá assim, agora temos de ter em conta o que Einstein previu quando desenvolveu a relatividade geral. Ou seja, que o campo gravitacional, devido à massa, vai desviar não só a trajectória de partículas mas vai desviar a própria luz.

Então este raio de luz não vai continuar em linha recta, mas vai curvar-se e pode acabar por chegar ao olho. Onde é que este observador vê a galáxia? Podem responder. Em cima, certo? Nós extrapolamos para trás e dizemos que a galáxia está aqui. Há algum outro raio de luz que possa chegar ao observador vindo daquela galáxia? Sim, óptimo. Estou a ver pessoas a fazer assim. Então o raio de luz pode descer, curvar para cima em direcção ao observador, e o observador vê o raio de luz aqui.

Agora, tenham em conta o facto de vivermos num universo tridimensional, num espaço tridimensional. Haverá outros raios de luz que possam chegar aos nossos olhos? Sim! Os raios estariam num - gostaria de ver - sim, num cone. Então há raios de luz, raios de luz num cone, que serão curvados pelo aglomerado e chegar ao olho do observador. Se há um cone de luz em direcção aos meus olhos, o que vejo? Um círculo, um anel. Chama-se anel de Einstein, que Einstein previu. Agora, só será um anel perfeito se a fonte, o deflector, e o olho, neste caso, estiverem numa linha recta perfeita. Se estiverem ligeramente desviados, veremos uma imagem diferente.

Podem fazer uma experiência hoje à noite na recepção, para perceber como essa imagem seria. Porque acontece que há um tipo de lente que podemos conceber, que tem a forma perfeita para produzir esse tipo de efeito. Chamamos a isto lente gravitacional. E então, este é o vosso instrumento. (Risos) Mas ignorem a parte de cima. É na base que se devem concentrar. Na verdade, em casa, sempre que partimos um copo de vinho, eu guardo o fundo e levo-o para a oficina. Limamo-lo, e eu fico com uma pequena lente gravitacional. E tem a forma exacta para produzir o efeito. E a coisa seguinte a fazer na vossa experiência, é pegar num guardanapo. Eu usei papel milimétrico. Sou física. (Risos) Então, um guardanapo. Desenhem uma galáxia modelo no meio. E agora coloquem a lente sobre a galáxia. e vão conseguir ver um anel, um anel de Einstein. Agora, movam a base para o lado, e o anel vai dividir-se em arcos. E podem colocá-la em cima de qualquer imagem. No papel milimétrico podem ver como todas as linhas do papel ficam distorcidas. E, de novo, isto é uma representação fiel do que acontece com as lentes gravitacionais.

Então a questão é: nós vemos isto no céu? Vemos arcos no céu quando olhamos, por exemplo, para um aglomerado de galáxias? E a resposta é: sim. Então, aqui está uma imagem do telescópio espacial Hubble. Muitas das imagens que vêem são mais antigas que o telescópio espacial Hubble. Bem, antes de mais, as galáxias douradas são as galáxias do aglomerado. São as que estão imersas naquele mar de matéria escura que estão a causar a curvatura da luz e causam estas ilusões de óptica, ou miragens das galáxias de fundo. Então estas faixas que vêem, todas elas, são, na verdade, imagens distorcidas de galáxias muito mais distantes.

Então o que podemos fazer, é basearmo-nos na quantidade de distorção que vemos naquelas imagens, para calcular a quantidade de massa que deve existir neste aglomerado. E é uma enorme quantidade de massa. E também conseguimos perceber, olhando para isto, que estes arcos não estão centrados em galáxias individuais; estão centrados numa estrutura mais espalhada. E isso é a matéria escura na qual o aglomerado está imerso. Então isto é o mais próximo que se pode estar de ver pelo menos os efeitos da matéria escura a olho nu.

Então, uma pequena revisão, para ver se estão a acompanhar. A evidência que temos de que um quarto do universo é matéria escura, esta coisa com atracção gravitacional, é que as galáxias, as velocidades a que as estrelas as orbitam, é demasiado grande; têm que estar envolvidas em matéria escura. A velocidade à qual as galáxias nos aglomerados orbitam é demasiado grande; têm que estar envolvidas em matéria escura. E nós vemos estes efeitos de lente gravitacional. Estas distorções também dizem que os aglomerados estão imersos em matéria escura.

Então agora voltemo-nos para a energia escura. Para perceber as evidências para a energia escura, temos de discutir algo a que o Stephen Hawking aludiu numa sessão anterior. Isto é, o facto do próprio espaço estar em expansão. Então imaginemos uma secção do nosso universo infinito, e na qual eu coloquei 4 galáxias espirais. E imaginem que colocam um conjunto de fitas métricas, para que cada linha aqui corresponda a uma fita métrica, horizontal ou vertical, para medirmos onde estão as coisas. Se pudéssem fazer isto, o que iam descobrir é que a cada dia que passa, a cada ano que passa, a cada milhar de milhões de anos que passa, a distância entre galáxias está a aumentar. E não é porque as galáxias se estejam a afastar umas das outras através do espaço; não estão necessariamente a mover-se através do espaço. Estão a afastar-se umas das outras porque o próprio espaço está a aumentar. É isso que significa a expansão do universo ou do espaço. Então estão a afastar-se cada vez mais.

Agora, o que o Stephen Hawking mencionou também, é que depois do Big Bang, o espaço se expandiu a um ritmo enorme. Mas porque a matéria gravitacionalmente atractiva está imersa neste espaço, tem tendência a travar a expansão do espaço. Então a expansão vai desacelerando com o tempo. Então, no último século, as pessoas debateram sobre se esta expansão do espaço continuaria para sempre, se iria abrandar, abrandar, mas continuando para sempre. Abrandar até parar, parar assimptoticamente, ou abrandar, parar, e inverter o sentido, começando a contrair-se novamente. Há pouco mais de uma déciada, dois grupos de físicos e astrónomos lançaram-se na tentaiva de medir o ritmo ao qual a expansão do espaço estava a abrandar. Por quão menos se expande hoje, em comparação com há 2 mil milhões de anos.

A assustadora resposta a esta questão, a partir destas experiências, foi que o espaço se está a expandar a um ritmo maior hoje, que há uns milhares de milhões de anos atrás. Então a expansão do espaço está a acelerar. Este foi um resultado completamente surpreendente. Não há nenhum argumento teórico persuasivo que explique porque isto acontece. Ninguém conseguiu prever com antecedência que seria isto que encontraríamos. Era o oposto do que esperávamos. Então precisamos de algo para podermos explicar isso. Acontece que, nas equações, pode colocar-se um termo que é uma energia. Mas é um tipo de energia completamente diferente de tudo que tenhamos visto antes. Chamamo-la de energia escura, e tem este efeito de fazer com que o espaço se expanda. Mas não temos uma boa razão para a colocar lá nesta altura. Por isso está por explicar por que razão temos de a colocar.

Agora, neste momento, o que quero realmente destacar, é que, antes de mais, a matéria escura e a energia escura são coisas completamente diferentes. Há realmente dois mistérios no que diz respeito à constituição da maior parte do universo, e têm efeitos muito diferentes. A matéria escura, porque atrai gravitacionalmente, tende a encorajar o crescimento de estruturas. Então aglomerados de galáxias tendem a formar-se, devido a toda esta atracção gravitacional. A energia escura, por outro lado, está a colocar cada vez mais espaço entre as galáxias. Faz com que a atracção gravitacional entre elas diminua, e impede o crescimento de estruturas. Então olhando para coisas como aglomerados de galáxias, e como elas - a sua densidade numérica, quantas existem como função do tempo - podemos aprender como esta matéria escura e energia escura competem entre elas na formação de estruturas.

Em relação à matéria escura, eu disse que não temos qualquer argumento persuasivo a favor da energia escura. Temos algum em favor da matéria escura? E a resposta é: sim. Temos candidatos bem suportados para a matéria escura. E o que quero dizer por bem suportados? Quero dizer que temos teorias matematicamente consistentes que, na verdade, foram introduzidas para explicar um fenómeno completamente diferente, coisas sobre as quais nem sequer falei, que prevêem a existência de uma nova partícula com interacção fraca.

É exactamente isto que queremos em Física: onde uma previsão decorre de uma teoria matematicamente consistente que até foi desenvolvida para outra coisa. Mas nós não sabemos se qualquer delas é uma candidata para a matéria escura. Uma ou ambas, quem sabe? Ou pode ser algo completamente diferente. Agora, se olharmos para estas partículas de matéria escura, porque, afinal, elas estão aqui na sala e não passaram pela porta. Elas passam através de qualquer coisa. Podem atravessar um edifício, a Terra, por interagirem tão pouco.

Uma das formas de as procurarmos é construir detectores que sejam extremamente sensíveis à presença de partículas de matéria escura. Como um cristal que alerte se isso acontecer. Um dos meus colegas e os seus colaboradores construíram um desses detectores. E colocaram-no bem fundo numa mina de ferro no Minnesota, bem lá no fundo. E, na verdade, nos últimos dois dias anunciaram os resultados mais sensíveis até agora. Eles não viram nada, mas colocou limites à massa e à força da interacção que estas partículas de matéria escura podem ter. Vai haver o lançamento de um telescópio satélite este ano. E vai olhar em direcção ao centro da galáxia, para ver se podemos ver partículas de matéria escura a aniquilarem-se e a produzir raios gama que possam ser detectados. O grande colisionador de hadrões, um acelerador de partículas, que vai ser ligado este ano. É possível que partículas de matéria escura possam ser produzidas no grande colisionador de hadrões.

Agora, porque interagem tão pouco, vão, na verdade, escapar ao detector, por isso a sua assinatura será a falta de energia. Infelizmente, há muitas coisas novas na Física cuja assinatura possa ser a falta de energia, por isso vai ser difícil diferenciá-las. E, por fim, para novos empreendimentos, há telescópios a serem desenhados especificamente para tratar da questão da matéria escura e energia escura: telescópios terrestres. E há 3 telescópios astronómicos que estão em competição neste momento para serem lançados e investigarem a matéria escura e a energia escura. Em termos das grandes questões: O que é matéria escura? O que é energia escura? As grandes questões da Física. E tenho a certeza que têm muitas questões. Que eu terei muito gosto em responder durantes as próximas 72 horas, enquanto cá estou. Obrigado. (Aplausos)