Nem tudo é feito de átomos.

Matéria escura e energia escura 

Apenas 5% do universo é composto por matéria como conhecemos – os átomos e partículas que compõem o corpo e todas as  coisas que nos circundam, até as estrelas. Cerca de 70% do conteúdo do universo é energia escura e 25% é composto pela chamada matéria escura. Ou seja, a energia e a matéria escura correspondem a cerca 95% do universo – uma parcela imensa, sobre a qual permanecem mais perguntas do que respostas. Sabe-se apenas que, apesar do nome parecido, elas não têm nada a ver uma com a outra. “Entender esses componentes pode trazer transformações profundas nas bases da física”, afirma o físico Leandro José Beraldo e Silva.

Autor de um estudo sobre as propriedades dinâmicas da matéria escura na Universidade de São Paulo (USP) e no Instituto de Astrofísica de Paris (IAP), em 2015, ele explica que foi na década de 1930 que os astrônomos passaram a desenvolver métodos para medir a quantidade de matéria (massa) das centenas de bilhões de estrelas existentes em outras galáxias, bem como dos aglomerados de galáxias. Existem duas maneiras para fazer isso. No primeiro método, mede-se a quantidade de luz (luminosidade) que a galáxia emite. “Com alguns cálculos simples, e sabendo a massa e luminosidade de uma estrela típica, podemos usar a luminosidade observada da galáxia, composta de muitas estrelas, para calcular sua massa total”, diz. Já no segundo método, o que se mede é a velocidade com que as galáxias se movimentam – seja em torno de si mesmas (rotação de galáxias espirais), seja em torno de aglomerados de galáxias. “Com isso, conhecendo essas velocidades, é possível saber a intensidade do campo gravitacional que mantem unidos estes objetos, e, portanto, suas massas”, explica Silva.

Mas os resultados desses dois métodos são muito diferentes: as massas obtidas com o segundo método são sempre cerca de 10 vezes maiores que as obtidas com o primeiro. “Daí surgiu a ideia de que nestes objetos deve haver uma grande quantidade de matéria que contribui para o campo gravitacional, mas não emite nem absorve luz. Isso foi chamado de matéria escura”. De acordo com Silva, as observações mais recentes da chamada radiação cósmica de fundo, que envolve todo o universo, também têm indicado a necessidade de aproximadamente a mesma quantidade de matéria escura.

Alguns pesquisadores, no entanto, também defendem que é a teoria da força gravitacional que deve ser modificada para dar conta da aparente diferença entre as massas obtidas a partir da luminosidade e a partir das medidas cinemáticas, sem a necessidade de acrescentar esta componente desconhecida de matéria – que seria a matéria escura. “Entretanto, estas soluções de gravitação modificada parecem ter potencial para resolver o problema em escalas de galáxias, mas não em escalas de aglomerados de galáxias e escalas cosmológicas, por isso elas menor adesão por parte dos pesquisadores”, observa Silva.

De que é feita a matéria escura?

Apesar das evidências da existência de matéria escura, pouco se sabe sobre sua constituição. Segundo Silva, hoje há um certo consenso de que a matéria escura deve ser composta de algum tipo de partícula que ainda não conhecemos e há diversos experimentos tentando detectar estas partículas. Uma primeira suposição foi que ela seria composta de objetos astrofísicos escuros que, ao contrário das estrelas, não emitem luz, como, por exemplo, planetas gigantes, estrelas “mortas”, buracos negros etc. Entretanto, após alguns estudos mais detalhados esta possibilidade foi descartada.

Outra hipótese é que a matéria escura seja composta de partículas elementares. “Neste sentido, as principais perguntas a serem respondidas são: qual a massa destas partículas e como elas interagem com outras partículas”, comenta Silva.

Entre os quatro tipos de forças elementares conhecidas na natureza: a força gravitacional, que atua sobre qualquer partícula com massa; a força eletromagnética, que atua sobre qualquer partícula com carga elétrica e que também está relacionada com interações com a luz; e as forças nucleares forte e fraca, importantes em escalas subatômicas, uma hipótese plausível é que a matéria escura seja composta de alguma partícula conhecida que interage gravitacionalmente. “Sua partícula constituinte deve interagir gravitacionalmente, mas como ela não interage com a luz, não deve sofrer ação da interação eletromagnética. Isso é o que sabemos sobre as partículas que compõem a matéria escura. Se elas sofrem ação das interações nucleares forte e fraca, nós não sabemos”, diz o físico.

Um possível candidato a ser essa partícula conhecida que interage gravitacionalmente seriam os neutrinos, que, conforme explica Silva, além da interação gravitacional, também sofrem ação da interação nuclear fraca. Entretanto, como a massa dos neutrinos é excessivamente pequena e partículas com massas pequenas tendem a ter velocidades grandes, isso os exclui dessa hipótese. “Para que o sistema “colapse”, ou seja, ceda à atração gravitacional para formar um objeto ligado gravitacionalmente como uma galáxia ou aglomerado de galáxias, a velocidade das partículas tem que respeitar um certo limite: se a partícula tiver alta velocidade, ela escapa do campo gravitacional. É o mesmo que aconteceria se pudéssemos lançar uma pedra da Terra com velocidade tão alta que ela se desprenderia da força gravitacional do nosso planeta e iria para o espaço”, exemplifica Silva.

O fato de que estas partículas não têm carga elétrica tornam o processo de detecção mais difícil. Além disso, a Terra é bombardeada o tempo todo por outras partículas conhecidas, como os nêutrons, que podem ser confundidas com as partículas de matéria escura. Para evitar que as partículas conhecidas cheguem ao detector, uma solução é conduzir os experimentos em laboratórios subterrâneos, enterrados a quilômetros de profundidade. Outro método são as chamadas experiências de detecção indireta baseadas na suposição de que as partículas de matéria escura poderiam se aniquilar dando origem a partículas conhecidas, como neutrinos ou fótons. Conforme descreve Silva, estas últimas partículas são detectadas em direções específicas do céu (como o centro da nossa galáxia ou de galáxias vizinhas, ou o centro do Sol ou da Terra) e daí se verifica se este sinal é compatível com os processos astrofísicos já conhecidos: “Em caso afirmativo, os modelos de matéria escura que previam a emissão de um excesso daquelas partículas são excluídos”. Porém, até agora, ainda não foi feita nenhuma detecção conclusiva, direta ou indireta, sobre as partículas de matéria escura. 

Acelerando a expansão do universo: a energia escura

A energia escura, por sua vez, tem natureza bem diferente da matéria escura. Silva conta que a história da energia escura remete ao ano da publicação da Teoria da Relatividade Geral, de Albert Einstein, em 1915. A famosa teoria permitiu desenvolver modelos simples para a evolução do universo: “ou seja, foi fundada a Cosmologia”.

Anos após a publicação revolucionária, por volta dos anos 1930, Edwin Hubblemostrou que, a partir da medida da velocidade de um número crescente de galáxias, todas elas, com raras exceções, estão se afastando da nossa. “Desde então, sabemos que o universo está se expandindo, o que vem sendo confirmado por muitas observações”, afirma o físico.

A gravitação é uma força atrativa. A partir do conhecimento da Lei da Relatividade Geral, foi possível determinar que o efeito global da atração gravitacional entre todos os corpos do universo é como uma força que “puxa para o centro” – uma analogia porque, segundo, Beraldo e Silva, não possível falar em um “centro do universo". Seguindo essa lógica, o que se esperaria é que o universo se expandisse de maneira desacelerada, ou seja, que sua velocidade de expansão fosse cada vez menor. Porém, desde 1998, análises que usam dados de supernovas (aquelas estrelas que morrem numa grande explosão) vêm demonstrando que o universo está, ao contrário do que se supunha, se expandindo de maneira acelerada, o que explica a existência da energia escura, responsável por 70% da composição do universo. “A energia escura é o nome que se dá a isso que está acelerando a expansão do universo, ou seja, ‘empurrando-o para fora’”, resume o físico. Apesar de constituir quase 70% do universo, o que é a energia escura, permanece um dos grandes desafios da ciência.