Matéria Escura e mistérios da física

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Nós já ouvimos falar muito sobre Dark Matter, ou Matéria Escura. A ficção científica em geral gosta de explicar tecnologias inexistentes ligando seu funcionamento à Matéria Escura ou a elementos que teriam uma função similar a ela. Na verdade não sabemos tanta coisa assim sobre a dita, mas começo pelo que sabemos.

Matéria Escura

Existe algo no universo que desconhecemos. Ao menos, UM algo entre muitos outros, só que esse tem um nome. Esse algo exerce uma força gravitacional, e portanto o definimos como matéria, mas não emite qualquer tipo de luz e hipoteticamente não interage com outros tipos de matéria, e então a definimos como escura. Somos limitados a observar o universo a partir de nossas retinas de processamento virtualmente pífio, dependendo de instrumentos de medição que trabalhem com diversos tipos de radiação de luz para enxergar corpos e objetos presentes no céu.

Se algo não emite luz, estamos cegos, e ainda sem tecnologia que nos permita abrir os olhos. No entanto, galáxias, superclusters e muitas outras estruturas no espaço são muito mais massivas, de acordo com sua força gravitacional, do que calculamos a partir de sua massa “visível”, um cálculo complexo baseado na luz que recebemos como informação. Alguma outra coisa, invisível para nós, constituía o restante dessa massa. Quem observou isso primeiro foi Fritz Zwick, ainda nos anos 1930. Então a matéria escura está lá, escondida, não emitindo luz e permanecendo um mistério em várias formas.

E o que ela faz?
Ela forma, com a Energia Escura, cerca de 95% do universo.
E isso é quase tudo que sabemos.

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Energia Escura

O universo se expande. Isso é sabido, e até algumas décadas atrás se acreditava que, independente da densidade de energia do universo estar levando a um recolapso (se for muito massiva) ou a uma expansão infinita (se for muito leve), a gravidade em teoria seria capaz de fazer isso desacelerar com o tempo. Até que o Hubble olhou para supernovas de milhões e bilhões de anos de idade e descobriu que, num passado muito distante, o universo estava se expandindo mais devagar do que agora, e não o contrário. O que provoca essa expansão? O nome é energia escura.
68% do universo é composto de energia escura, os outros 27% de matéria escura. Sabemos disso porque sabemos o efeito que essa quantidade imensa de energia tem sobre a expansão do universo. Mas como o espaço vazio adquire energia?

A teoria da relatividade enuncia que energia é igual a massa vezes a velocidade da luz ao quadrado. Massa, presume-se a princípio, da matéria escura.

E = mc²

Mas Einstein tem outra teoria que se encaixa melhor nesse cenário. A teoria da gravidade de Einstein, adotada pela Relatividade Geral, propõe que a gravidade é um efeito da geometria no espaço-tempo e possui uma versão em que a fórmula conta com a chamada Constante Cosmológica, um termo que equilibra a força de atração da gravidade mas que foi abandonado por não ter nenhuma explicação para existir, mesmo que fizesse sentido dentro da fórmula. Com essa fórmula e essa constante, Einstein previa que o espaço vazio possuía sua própria energia e, ainda mais, que o universo poderia criar “mais espaço”. Quanto mais espaço, mais dessa energia seria criada, e assim haveria energia suficiente para acelerar a expansão do universo. Mas de novo, a constante cosmológica não tem explicação. Einstein poderia estar apenas meio certo. Ou é claro, completamente errado – o que mudaria praticamente toda a Física atual e nossas noções não só da expansão do universo como também do comportamento de toda a matéria conhecida.

Outra teoria para a criação de energia escura envolve física quântica da matéria, em que o espaço vazio seria composto de partículas “temporárias” que surgem e somem em seguida. Mas todos os cálculos feitos para descobrir quanta energia esse fenômeno resultaria passaram muito longe da energia necessária para a expansão do universo. Há também os que acreditam que a energia escura é uma nova forma de energia dinâmica fluida ou em outra forma, o que continua a tornando um mistério.

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Buracos Negros e o quê mais?

Buracos negros são pouco provavelmente feitos de matéria escura, porque não somariam a massa necessária para formar 20 e tantos porcento do nosso universo.

No entanto, um buraco negro é formado de matéria – muita matéria, os restos de uma estrela massiva no fim de sua vida comprimidos numa área muito pequena para contê-la, resultando num campo gravitacional de força tamanha que nem mesmo a luz pode escapar, formando o dito buraco sem luz e distorcendo a luz em sua volta. De acordo com as mesmas teorias de Einstein que talvez expliquem a energia escura, um buraco negro forma uma distorção imensa do espaço-tempo.

Quando uma estrela colapsa em uma explosão de supernova, ela se choca com um limite imaginário chamado de horizonte de eventos. Se aproximando do horizonte de eventos, o tempo desacelera relativo ao tempo de quem observa a explosão, até que congela totalmente ao atingi-lo e impede que a estrela se colapse. Esse fenômeno impressionante é, em tese, o nascimento de um buraco negro: um objeto supermassivo em colapso congelado no espaço-tempo.

Portanto, se sobrevivêssemos ao encontro com um buraco-negro (como o filme Interstellar tentou nos explicar minuciosamente em conversas desnecessárias entre gênios da astrofísica), poderíamos cair num limbo do espaço-tempo em que iríamos parar sabe-se lá onde e quando.
Massa, né?

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E enfim, o Bóson

E o Bóson de Higgs? Pra quê ele serve?

O Bóson era nosso Neymar do álbum da Copa 2014. Até a sua descoberta, ele era o que faltava para completar o Modelo Padrão de partículas, todas as partículas conhecidas que formam toda matéria normal conhecida. O Bóson seria uma partícula remanescente do Big Bang que, trocando em miúdos, permite que quarks (os subcomponentes de prótons e neutrons) adquiram massa, o que explica porque somos sólidos. A notícia boa de finalmente termos encontrado o bóson de higgs, depois de explodir muitas partículas no acelerador, é que agora a matéria escura está um passo mais perto – se podemos entender o funcionamento de toda a matéria normal conhecendo todo o catálogo de partículas do modelo padrão, é um mistério a menos. Compreendê-la é importante para entender o comportamento da matéria em geral – isso se alguma das teorias sobre a energia escura que eventualmente descartariam toda nossa física atual não estiver certa.

Física é uma parada muito louca.

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