Combate cósmico: mergulhando na batalha entre a matéria escura e a gravidade modificada – Physics World

Imagine se, de uma só vez, com um pequeno ajuste nas leis da gravidade, você pudesse eliminar a necessidade de toda a matéria escura do universo. Você se livraria de uma partícula incômoda cuja existência apenas se infere e que até agora desafiou a descoberta. Em vez disso, você a substituiria por uma teoria elegante que modificasse o trabalho fundamental de Isaac Newton e Albert Einstein.

Pelo menos esse é o sonho da dinâmica newtoniana modificada, ou MOND. Desenvolvido por físico israelense Mordehai Milgrom e teórico americano-israelense nascido no México Jacob Bekenstein no início da década de 1980, era o antídoto para o popular paradigma da “matéria escura”. Para eles, a matéria escura era um complemento desnecessário e desajeitado para a cosmologia que, se for real, significa que 80% da matéria no cosmos é invisível.

Nos 40 anos desde que foi concebido, as conquistas do MOND continuam a ser ofuscadas pelo caso de amor da cosmologia com a matéria escura. A MOND também tem lutado para explicar fenómenos em escalas maiores e menores do que as galáxias individuais. Então, afinal, o MOND é algo que deveríamos levar a sério?

Curvas curiosas

Nossa história começa no final da década de 1960 e, na década de 1970, os astrônomos norte-americanos Vera Rubin e Kent Ford perceberam que as estrelas na periferia das galáxias orbitavam tão rápido quanto as estrelas próximas ao centro, em aparente desafio às leis do movimento orbital de Johannes Kepler. . Eles ilustraram isto nas curvas de rotação das galáxias, essencialmente apenas um gráfico da velocidade orbital versus raio do centro. Em vez de mostrar uma inclinação negativa, os gráficos eram uma linha plana. Em algum lugar, havia alguma gravidade extra puxando aquelas estrelas exteriores.

A matéria escura – uma forma invisível de matéria tão abundante que seria a força gravitacional dominante no universo – era a solução popular. Hoje, o conceito de matéria escura está intimamente ligado ao nosso modelo padrão de cosmologia e é inerente à nossa compreensão de como a estrutura do universo se forma.

A imagem que a matéria escura se forma é clara, mas não suficientemente clara para uma pequena comunidade de físicos e astrónomos que rejeitaram a cosmologia da matéria escura e adoptaram o MOND. Na verdade, eles têm evidências abundantes para o seu caso. Em 2016 Stacy McGaugh, da Case Western Reserve University mediu as curvas de rotação de 153 galáxias (Física Rev. Lett. 117 201101) e descobriram, com uma precisão sem precedentes, que as suas curvas de rotação são explicadas pelo MOND, sem a necessidade de recorrer a um halo de matéria escura em torno de cada galáxia. Ao fazer isso, ele justificou a previsão de Milgrom.

“Eu diria que o MOND explica estas coisas melhor do que a matéria escura, e a razão para isso é o seu poder preditivo”, diz McGaugh – um antigo investigador da matéria escura que é agora um defensor do MOND, após uma epifania que o viu mudar de lado. Ele está se referindo ao fato de que se você conhece a massa visível (todas as suas estrelas e gases) de uma galáxia, então, aplicando o MOND, você pode calcular quais serão as velocidades de rotação. No paradigma da matéria escura, não é possível prever as velocidades com base na presença de matéria escura. Em vez disso, é necessário medir a curva de rotação da galáxia para inferir quanta matéria escura está presente. McGaugh argumenta que esse é um raciocínio circular e não uma prova de matéria escura.

Como modificar a gravidade

Modificar as leis da gravidade pode ser um anátema para muitos físicos – tal é o poder de Newton e Einstein – mas não é uma coisa tão estranha de se fazer. Afinal, vivemos num universo misterioso, cheio de enigmas científicos. Qual é a energia escura responsável pela aceleração da expansão do universo? Por que existe uma tensão nas diferentes medidas da taxa de expansão do universo? Como as galáxias estão se formando tão rapidamente no universo primitivo, como testemunhado pelo Hubble e Telescópios espaciais James Webb? Os pesquisadores estão cada vez mais buscando teorias de gravidade modificada para fornecer respostas, mas nem todos os modelos de gravidade modificados são iguais.

O que toda teoria da gravidade modificada, incluindo a MOND, deve fazer é explicar por que ela permanece oculta de nós nas escalas cotidianas, apenas entrando em ação sob certas condições.

Tessa Baker, cosmóloga e guru da gravidade modificada na Universidade de Portsmouth, no Reino Unido, construiu a sua carreira testando as leis da gravidade e procurando modificações, no seu caso para tentar explicar a energia escura. “MOND, que é um exemplo de teoria da gravidade modificada, é incomum porque é uma teoria que tenta substituir a matéria escura”, explica Baker. “A maioria das teorias da gravidade modificada não faz isso.”

O que toda teoria da gravidade modificada, incluindo a MOND, deve fazer é explicar por que ela permanece oculta de nós nas escalas cotidianas, apenas entrando em ação sob certas condições. Os físicos chamam o ponto em que essa transição ocorre de “proteção”, e é tudo um problema de escala.

“A parte complicada é: como esconder a modificação em escalas onde sabemos que a relatividade geral funciona muito bem?” pergunta Baker. O lugar óbvio para começar pode ser considerar se a gravidade varia em uma escala de distância, portanto, em nosso sistema solar, a gravidade desaparece com a regra do inverso do quadrado, mas na escala dos aglomerados de galáxias ela diminui a uma taxa diferente. “Isso categoricamente não funciona”, diz McGaugh, acrescentando que existem outras escalas que funcionam.

Por exemplo, uma teoria da gravidade modificada com a qual Baker trabalha – conhecida como f(R) gravidade – generaliza a teoria geral da relatividade de Einstein. Sob f(R), a gravidade ativa o efeito da energia escura em áreas do espaço onde a densidade da matéria se torna suficientemente baixa, como nos vazios cósmicos. Para a MOND, a escala do mecanismo de triagem é a aceleração. Abaixo de uma aceleração gravitacional característica referida como a₀ – que é cerca de 0.1 nanômetros por segundo ao quadrado – a gravidade opera de maneira diferente.

Em vez de seguir a regra do inverso do quadrado, em acelerações abaixo a₀ a gravidade diminui mais lentamente, pelo inverso da distância. Portanto, algo orbitando a uma distância quatro vezes maior sentiria um quarto da gravidade, não um 16º. As baixas acelerações gravitacionais necessárias para isso são exatamente aquelas experimentadas pelas estrelas na periferia das galáxias. “Então o MOND ativa essas modificações em baixas acelerações da mesma forma que f(R) a gravidade ativa suas modificações em baixas densidades”, explica Baker.

Conflito e controvérsia

O MOND é excelente para galáxias individuais, mas dependendo de com quem você fala, talvez não tenha um desempenho tão bom em outros ambientes. E um fracasso em particular já fez com que um dos mais ferrenhos defensores do MOND se voltasse contra a teoria.

Um laboratório ideal para testar o MOND é aquele onde não se espera que a matéria escura esteja presente em grandes quantidades, o que significa que quaisquer anomalias gravitacionais deveriam vir apenas das próprias leis da gravidade. Sistemas estelares binários amplos são um desses ambientes que consistem em pares de estrelas com 500 UA ou mais. separados (onde uma unidade astronômica ou UA é a distância média entre a Terra e o Sol). Em separações tão grandes, o campo gravitacional sentido por cada estrela é fraco.

Graças à Missão espacial astrométrica Gaia da Agência Espacial Europeia, equipas de investigadores do MOND conseguiram agora medir os movimentos de binários amplos em busca de evidências do MOND. Os resultados têm sido controversos e conflitantes, em termos da sobrevivência do MOND como uma teoria válida.

Uma equipe, liderada por Kyu-Hyun Chae da Universidade Sejong em Seul, realizou uma análise exaustiva de 26,500 binários largos e encontrou movimentos orbitais que correspondiam às previsões do MOND (ApJ 952 128). Isto foi apoiado por trabalhos anteriores de Xavier Hernandez, da Universidade Nacional Autónoma do México, que elogiou o quão “emocionante” foi o resultado de Chae. Mas nem todo mundo está convencido.

Na Universidade de St Andrews, no Reino Unido, Indranil Banik estava trabalhando em seu próprio projeto de seis anos para medir o MOND em binários amplos. Ele publicou seus planos antes de fazer as medições, reservando um tempo para conversar com outros especialistas e obter feedback, ajustando seu método para que todos pudessem concordar. Banik esperava plenamente que seus resultados mostrassem que o MOND era real. “Obviamente, esperava que o cenário MOND funcionasse”, diz ele. “Portanto, foi realmente uma grande surpresa quando isso não aconteceu.”

Em um artigo publicado no final de 2023, Banik não encontrou nenhum desvio da gravidade newtoniana padrão (Avisos mensais da Royal Astronomical Society 10.1093/mnras/stad3393). Os resultados foram um golpe tão forte para ele que abalou o mundo de Banik, e ele declarou publicamente que a MOND estava errada – o que lhe rendeu algumas críticas. Por que, porém, seus resultados deveriam ser tão diferentes dos de Chae e Hernandez? “Certamente, eles ainda argumentam que há algo ali”, diz Banik. No entanto, ele é cético em relação aos seus resultados, citando diferenças na forma como lidaram com as incertezas nas suas medições.

Estes pontos de discórdia são altamente técnicos, por isso talvez não seja uma surpresa total que tenham sido alcançadas diferentes interpretações. Na verdade, para quem está de fora é difícil saber quem está correto e quem não está. “É muito difícil saber como julgar isso”, admite McGaugh. “Nem me sinto totalmente qualificado para julgar nessas escalas e sou muito mais qualificado do que a maioria das pessoas!”

Não são apenas os binários amplos que Banik vê o MOND falhar. Ele também cita o caso do nosso próprio sistema solar. Um dos princípios centrais do MOND é o fenómeno do “efeito de campo externo”, através do qual o campo gravitacional global da Via Láctea é capaz de se imprimir em sistemas mais pequenos, como o nosso sistema solar. Deveríamos ver esta marca, particularmente nas órbitas dos planetas exteriores. Procurando esse efeito através de dados de rastreamento de rádio de Nave espacial Cassini da NASA, que orbitou Saturno entre 2004 e 2017, não encontrou nenhuma evidência do efeito do campo externo na órbita de Saturno.

“As pessoas estão começando a perceber que não há como conciliar o MOND com a não detecção de efeitos nos dados da Cassini e que o MOND não funcionará em escalas abaixo de um ano-luz”, diz Banik. Se Banik estiver correto, isso deixa o MOND em uma situação muito ruim – mas não é o único campo de batalha onde a guerra do MOND contra a matéria escura está sendo travada.

Enigmas do cluster

Em 2006, a NASA lançou um imagem espetacular de dois aglomerados de galáxias em colisão, chamados em sua forma combinada de Aglomerado Bala. O Telescópio Espacial Hubble forneceu imagens de alta resolução do paradeiro das galáxias, enquanto as observações de raios X do gás quente entre essas galáxias vieram do Observatório de Raios X Chandra. Com base na localização das galáxias e do gás, bem como no grau de lente gravitacional da matéria no espaço curvado do aglomerado, os cientistas foram capazes de calcular a localização da matéria escura no aglomerado.

“Foi alegado que o Bullet Cluster confirmou a existência de matéria escura, o que tem sido usado para argumentar fortemente contra o MOND”, diz Pavel Kroupa, um astrofísico da Universidade de Bonn. “Bem, acontece que a situação é exatamente oposta.”

Kroupa é feroz no seu entusiasmo pelo MOND e tem como objetivo explorá-lo nas maiores escalas de estrutura possíveis – aglomerados de galáxias em grande escala. Na sua mira está nada menos que o modelo padrão da cosmologia, conhecido coloquialmente como “lambda-CDM” ou ΛCDM (Λ refere-se à constante cosmológica, ou o componente de energia escura do universo, e CDM é matéria escura fria).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-3.jpg" data-caption="Primordial Impressão artística de um artista da ESA sobre como seria o aspecto do universo primitivo (com menos de mil milhões de anos) quando passou por uma erupção abrupta de formação estelar. (Cortesia: A Schaller/STScI)” title=”Clique para abrir a imagem no pop-up” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/1/2024/cosmic-combat-delving-into-the- batalha entre a matéria escura e a física da gravidade modificada-02.jpg”>

Por um lado, Kroupa acredita que aglomerados de galáxias tão enormes nem deveriam existir, muito menos que tiveram tempo de colidir, em altos desvios para o vermelho. ΛCDM postula que as estruturas deveriam crescer lentamente, e Kroupa argumenta que seria demasiado lento para o que os nossos telescópios nos mostram: galáxias massivas e enormes enxames no Universo primitivo. Mais pertinentemente, é a própria dinâmica das colisões de aglomerados que dá esperança a Kroupa. Em particular, ΛCDM prevê que as velocidades das galáxias que caem no poço gravitacional do aglomerado combinado devem ser muito mais baixas do que o observado.

“As colisões de aglomerados de galáxias estão em total desacordo com o ΛCDM, embora estejam em concordância bastante natural com o MOND”, diz Kroupa. Apesar do entusiasmo de Kroupa, McGaugh não tem tanta certeza. Na verdade, ele acha que os aglomerados de galáxias são um problema real tanto para o ΛCDM quanto para o MOND.

“É uma bagunça”, ele admite. “Para a matéria escura, as velocidades de colisão são demasiado altas. As pessoas da matéria escura têm andado de um lado para outro, argumentando que as velocidades são muito rápidas ou não? Para o MOND, os aglomerados de galáxias mostram uma discrepância de massa mesmo depois de aplicar o MOND. Os clusters me preocupam porque simplesmente não vejo uma boa saída para isso.”

Uma teoria de tudo?

Clusters e binários amplos podem ser debatidos ad infinitum até que um lado ou outro admita a derrota. Mas talvez a crítica mais séria dirigida à MOND tenha sido a sua total falta de um modelo cosmológico viável. É muito bom tentar substituir a matéria escura pela gravidade modificada nas galáxias, mas para que a teoria seja bem-sucedida, ela deve explicar tudo o que a matéria escura pode e muito mais. Isto significa que precisa ser um rival do ΛCDM na explicação do que vemos no fundo cósmico de microondas (CMB) – a radiação primordial de microondas que preenche o universo.

A CMB é frequentemente caracterizada como a “bola de fogo do big bang”, mas é mais do que isso. Impressos nele, na forma de variações sutis de temperatura, ocorridas apenas 379,000 mil anos após o Big Bang, estão o que chamamos de anisotropias, correspondendo a regiões de densidade ligeiramente superior ou inferior formadas por ondas acústicas que reverberaram através do plasma primordial. Estas são as sementes da formação da estrutura do universo. A partir destas sementes cresceu a “teia cósmica” – uma rede de filamentos de matéria ao longo da qual crescem as galáxias e, onde os filamentos se encontram, grandes aglomerados de galáxias.

O MOND foi criado para explicar as curvas de rotação da galáxia, baseando-se em Newton, não em Einstein. Demorou mais 20 anos para Bekenstein apresentar um modelo relativista do MOND que pudesse ser aplicado à cosmologia moderna. Chamada de gravidade Tensor-Vetor-Escalar (TeVeS), ela se mostrou impopular, lutando para explicar o tamanho do terceiro pico acústico nas anisotropias que no modelo padrão é atribuível à matéria escura, bem como as limitações na modelagem de lentes gravitacionais e ondas gravitacionais .

Muitas pessoas pensavam que o problema de um modelo relativista do MOND era tão difícil que não era possível. Então, em 2021 Constantinos Skordis e Tom Zlośnik da Academia Checa de Ciências provou que todos estavam errados. Em seu modelo, a dupla introduziu campos vetoriais e escalares modificadores da gravidade que operam no universo primitivo para criar efeitos gravitacionais que imitam a matéria escura, antes de evoluir ao longo do tempo para se assemelhar à teoria MOND regular no universo moderno (Física Rev. Lett. 127 161302).

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Dada a tortuosa história de tentativa de desenvolvimento de um modelo relativista do MOND, McGaugh acredita que é uma “conquista notável” ser capaz de escrever uma teoria que se ajuste à radiação de fundo de micro-ondas. O modelo Skordis e Złośnik não é perfeito. Tal como o TeVeS, tem dificuldade em explicar a quantidade de lentes gravitacionais que observamos no Universo. Banik também destaca dificuldades no modelo, dizendo que “ele teve dificuldades porque não fornece uma boa explicação para aglomerados de galáxias”.

Baker ecoa essas preocupações. “Embora tenha sido um bom passo para a MOND ser capaz de fazer isso”, diz ele, “não acho que tenha sido suficiente para trazer a MOND de volta ao mainstream. A razão é que [Skordis e Złośnik] adicionaram muitos campos extras, muitos sinos e assobios, e ele realmente perde elegância. Funciona com o CMB, mas parece muito pouco natural.”

Talvez estejamos colocando peso indevido nos ombros da modelo. Pode ser visto apenas como um começo, uma prova de conceito. “Se esta é a teoria final, ou mesmo o caminho certo, não sei”, diz McGaugh. “Mas as pessoas têm dito que isso não pode ser feito, e o que Skordis e Złośnik demonstraram é que isso pode ser feito, e isso é um importante passo em frente.”

MOND continua a fascinar, frustrar e fomentar o desdém dos discípulos da matéria escura. Ainda há um longo caminho a percorrer para que a comunidade científica o considere um rival de peso do ΛCDM, e é certamente dificultado por ter relativamente poucas pessoas a trabalhar nele, o que significa que o progresso é lento.

Mas os sucessos que esta teoria emergente teve não devem ser ignorados, diz McGaugh. No mínimo, isso deve manter os astrônomos trabalhando com o modelo principal da matéria escura em alerta.

• Na segunda parte da série de três partes de Keith Cooper, ele explorará alguns dos sucessos recentes da matéria escura e os sérios desafios que ela também enfrenta.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/