Afinal das Contas, o que é Matéria Escura?

Imagine que você é um ser humano do paleolítico, um homem das cavernas. Sua vida é completamente integrada à natureza. Você caça para comer, bebe água de rios, procura abrigos para passar a noite, acende fogueiras, senta-se em torno delas e conta histórias das experiências que viveu a seus parentes e amigos... Até que um dia você encontra isto:

Uma enorme e misteriosa faixa onde a grama não cresce. Ela tem sulcos, o que indica que algo pesado passou por ali... Mas você analisa os rastros e não tem ideia do que pode ter sido. Aquelas marcas são inéditas, muito diferentes dos animais que você conhece.

E então você começa a especular...

Sulcos tão profundos indicam que seja lá quais foram os animais que deixaram aqueles rastros – se é que é foram animais – eles devem ser os maiores de toda a floresta.

O fato de não crescer grama perto de onde eles passaram – afinal, há dois sulcos, só podem ser dois animais, certo? - dá a entender que, ou eles secretam alguma substância que mata a vegetação...

Ou são mais de dois animais, é um bando enorme que passa por aquele caminho com tanta frequência que impede o nascimento de novas plantas.

Você aguarda ali por dias e não vê o animal passar novamente... E então resolve voltar para a sua tribo e contar sua experiência inusitada.

Neste momento, tudo o que nós sabemos da Matéria Escura é comparável ao que um homem do Paleolítico saberia sobre pneus ou motores a explosão caso encontrasse aqueles rastros misteriosos no campo. É evidente que algo causou aquilo... Mas nós ainda estamos muito distantes de realmente entender o que é!

Com a matéria escura é a mesma coisa: os astrônomos encontraram uma série de “marcas de pneu” pelo Universo, tentaram encaixá-las nas fórmulas que nós já conhecemos... E a coisa não bateu.

E tudo está relacionado à gravidade.

Nós sabemos lidar muito bem com ela desde a época do Newton que, em 1687, publicou leis da gravitação universal que até hoje são usadas para se calcular as rotas de naves e sondas pelo sistema solar.

Você se lembra da New Horizons sonda que visitou Plutão em 2015?

Ela demorou nove anos para percorrer os cinco bilhões e cinquenta milhões de quilômetros que separavam a Terra de Plutão na época. Para evitar a possibilidade de colisão com alguma lua desconhecida do planeta-anão, a NASA fez com que a aproximação máxima ocorresse exatamente na órbita de Caronte, a lua maior de Plutão, mas no momento em que ela estivesse do outro lado do planeta. Assim as chances de colisão seriam mínimas, porque a órbita de Caronte deveria estar “limpa” pela própria presença da enorme lua.

É este tipo de precisão que nós somos capazes de alcançar com o conhecimento que temos de astronomia...

Fazer uma sonda passar pelo lugar exato que queremos, mesmo a cinco bilhões de quilômetros de distância.

E é por isso que, quando aplicamos o que sabemos a objetos ainda muito mais afastados, como as galáxias, nós nos chocamos ao perceber que nossas previsões simplesmente não funcionavam!

Em 1884 o astrônomo Lord Kelvin já havia notado algo estranho: ao medir a massa das estrelas do núcleo da Via Láctea, ele notou que a força que as mantinha juntas aparentemente era maior do que a causada apenas por suas gravidades.

Ou seja, se só existissem as estrelas, elas deveriam se dispersar aos poucos, não se manter unidas no núcleo. Sua conclusão foi a de que deveria haver objetos ocultos por lá responsáveis por esta gravidade “a mais”.

Outros astrônomos fazendo pesquisas independentes chegaram à mesma conclusão: alguma coisa invisível estava causando um aumento da força de gravidade no centro da Via Láctea.

Mas foi o astrofísico suíço Fritz Zwicky que, ao estudar um aglomerado de galáxias em 1933, percebeu que a tal matéria oculta deveria estar espalhada por todo o Universo. Medindo o brilho das galáxias do aglomerado ele conseguiu calcular sua massa, mas a velocidade que elas se deslocavam uma em relação à outra era muito maior do que deveria ser. Sua conclusão foi a de que alguma coisa invisível estava aumentando a massa das galáxias, algo que ele resolveu chamar de “matéria escura”.

As pesquisas do Zwicky, porém, não fizeram tanto estardalhaço assim, e o assunto ficou em segundo plano até que Vera Rubin, nos anos setenta, notou mais uma evidência da matéria escura ao medir a velocidade de rotação dos braços da galáxia de Andrômeda. Assim como no Sistema Solar, onde Mercúrio gira em volta do Sol muito mais rápido do que Netuno; as estrelas do centro da galáxia deveriam girar bem mais rapidamente do que as da borda, o que não é verdade. As da borda giram bem mais velozmente do que deveriam. A conclusão óbvia é a de que falta massa nesta equação... Muita, muita massa!

E ainda surgiria outra evidência de que há algo oculto aumentando a gravidade no espaço interestelar: as lentes gravitacionais, que foram previstas pelo Einstein e, depois, fotografadas por nossos maiores telescópios. O problema é que as distorções são muito maiores do que se esperava. É evidente que há algo invisível ali aumentando a massa das galáxias mais à frente e dispersando ainda mais a luz daquelas que estão atrás. Isto acontece por todo o espaço!

Com tantas evidências, com “marcas de pneu” tão profundas, os cientistas começaram a especular o que poderia estar causando aquilo. E, é claro, eles primeiro tentaram encaixar ali os “animais” que já conheciam.

Seria a matéria escura simplesmente nuvens de gases de matéria comum distantes das estrelas e, por isso, invisíveis?

Não, não é possível. Tais nuvens escureceriam as estrelas atrás delas, e isto não acontece nas observações. Além disso, se as lentes gravitacionais fossem causadas por objetos feitos de matéria visível eles seriam detectáveis facilmente, o que também não acontece na prática.

Poderia a matéria escura, então, ser antimatéria?

Também não... A antimatéria, se existisse em abundância no espaço, seria tão visível quanto a matéria... E antimatéria ao entrar em contato com matéria emite grandes quantidades de raios-gama, o que também não é observado no espaço.

Poderia então a matéria escura ser formada... Por buracos-negros?

Também não... Apesar dos buracos-negros também causarem distorções gravitacionais, elas são muito mais pontuais do que as distorções observadas no espaço, ou seja, eles seriam bastante perceptíveis.

A matéria escura se parece muito mais com um gás do que um objeto massivo... É como se uma enorme nuvem cercasse cada galáxia, penetrando seus componentes e os mantendo unidos. Uma nuvem invisível, e que interage apenas através da gravidade.

Mas... Peraí!

Nós conhecemos uma partícula que praticamente não interage com a matéria e é invisível! Aliás, uma partícula tão abundante e presente no universo que, neste momento, trilhões delas estão atravessando o seu corpo e você nem ao menos está percebendo! Quer saber de que direção elas estão vindo? Se for dia agora, procure o objeto mais brilhante no céu!

Você já deve ter ouvido falar nos neutrinos, partículas extremamente leves que são ejetadas durante reações nucleares. É por isso que a grande maioria dos neutrinos que passam por nossos corpos a cada segundo vêm do Sol: ele é a maior fonte de energia nuclear próxima de nós. Neutrinos são invisíveis, abundantes e quase não interagem com a matéria, a não ser pela força fraca e... Pela gravidade!

Um ótimo candidato a matéria escura, não?

Não... A massa dos neutrinos já foi bem estabelecida, e eles não são massivos o suficiente para causar as distorções gravitacionais detectadas. Outro problema é que os neutrinos viajam próximo da velocidade da luz, e a matéria escura não. Ela realmente forma “bolsões” gravitacionais, que seriam impossíveis caso seu causador viajasse tão rapidamente. Calcula-se que os neutrinos sejam responsáveis por 1,5 por cento da distorção gravitacional que chamamos de “matéria escura”, mas definitivamente eles não são sua principal causa.

Então nenhum dos “animais” que os cientistas conheciam poderia ter feito aquelas marcas no chão da floresta... Era hora de começar a pensar em pneus e motores a combustão. Um novo tipo de partícula deve estar causando tanta gravidade, e dá para saber até mesmo quanta massa coletiva ela tem calculando as distorções: cerca de cinco vezes mais do que toda matéria “normal” existente no Universo!

Sim, para cada quilo de matéria visível existem cinco quilos de matéria invisível por aí.

Acredita-se que as partículas de matéria escura tenham aproximadamente a massa de um próton, mas elas devem ser muito, muito pequenas, do tamanho de neutrinos ou menores, senão elas não atravessariam tão facilmente a matéria visível.

Elas não podem, também, viajar a velocidades relativísticas, senão as “nuvens” de matéria escura não se formariam e as galáxias se dispersariam.

Como detectar algo tão escorregadio assim?

Foram feitos mais de cinquenta experimentos nas últimas décadas tentando detectar diretamente partículas de matéria escura... Só um chegou a algum resultado. O italiano DAMA/LIBRA vem detectando algo que, imagina-se, são partículas de matéria escura. Por que os cientistas acreditam nisso? Porque os dados que vêm sendo colhidos há quase vinte anos sempre mostram resultados parecidos: há um pico de detecções em junho e um mínimo de detecções em novembro. Esquisito, não?

E por que estes dados confirmariam se tratar de matéria escura?

Porque nossa galáxia “gira” dentro da nuvem de matéria escura. Isto significa que o Sol e o resto do Sistema Solar “atravessa” a nuvem a 220 quilômetros por segundo... A Terra gira em torno do sol a 30 quilômetros por segundo, em um ângulo de sessenta graus em relação ao plano da galáxia.

Isto significa que, durante metade do ano, a Terra anda mais rápido do que o Sol na direção do deslocamento, e na outra metade, mais devagar do que o Sol. Adivinha quando se dá o pico de velocidade?

Exatamente! Em junho!

Ou seja, em junho atravessamos uma quantidade maior de matéria escura, e em novembro, uma quantidade menor. Precisamente o que o DAMA/LIBRA vem detectando!

O grande problema é que não dá para ter certeza de que as partículas que estão atingindo o DAMA/LIBRA são, necessariamente, de matéria escura. É por isso que estão construindo um detector semelhante em Melbourne, praticamente do outro lado do mundo. Se os dados colhidos na Austrália baterem com o do detector italiano... Então finalmente saberemos que estamos detectando matéria escura.

Ainda não compreenderemos exatamente o que é um “pneu” ou um “motor a combustão”...

Mas vai ser a confirmação de que há mesmo algo bem diferente atravessando esta floresta que chamamos de Universo!