Modelo da matéria escura

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O "modelo" da matéria escura (dark matter).

...Como já foi visto acima, a lista impressionante de problemas relacionados, mesmo apenas à astrofísica, é notável. Por exemplo, as galáxias giram muito rápido. A massa observada é de 3 a 5 vezes menor do que o necessário para contrabalançar a força centrífuga. A situação é ainda pior para os aglomerados de galáxias. Um problema antigo, já identificado inicialmente por Fritz Zwicky, há várias décadas.

...Como sair dessa situação? Será necessário revisar a lei de Newton? Alguns simplesmente sugeriram que galáxias, aglomerados de galáxias e até todo o universo pudessem conter uma massa (contribuindo para o campo gravitacional) que até então havia escapado da observação. O que poderia ser isso? Por exemplo, estrelas com emissão muito baixa. Dados foram atribuídos a esses objetos: MACHOs (massive compact halo objects, ou seja, objetos compactos e massivos localizados no halo das galáxias: a região do espaço galáctico situada dentro e fora do "disco"). Método de detecção: ocultação de fontes situadas no plano de fundo, principalmente estrelas. Método: acompanhar um número muito grande de estrelas e identificar quedas de luminosidade cuja evolução no tempo diferisse das flutuações correspondentes a estrelas variáveis.

Resultados: decepcionantes.

...Outra hipótese: partículas exóticas, por exemplo neutrinos com massa (possuindo uma massa pequena). Mas até hoje não foi possível detectar uma massa efetiva para os neutrinos.

...Outro candidato, querido pela astrofísica Françoise Combes: hidrogênio frio, a temperaturas extremamente baixas, portanto praticamente invisível.

...Essa matéria escura permitiria então explicar os fortes efeitos de lente gravitacional, aparentemente ligados às galáxias e aos aglomerados de galáxias (arcos gravitacionais). Muitos consideram esses efeitos como uma "prova irrefutável" da existência dessa matéria não detectada.

...É então possível explicar qualquer coisa e qualquer outra coisa, simplesmente espalhando adequadamente o universo com matéria escura nos lugares certos. Trata-se, portanto, de uma teoria perfeitamente ad hoc. Alguns nem sequer se preocupam em justificar a origem desse componente, sua natureza, sua origem ou mesmo descrever sua dinâmica, contentando-se em dizer que se trata de uma nova astronomia, "onde mapeamos agora o invisível". Equipes estão em ação, empenhadas em elaborar mapas da distribuição da matéria escura.

...Essa matéria permite unificar a estrutura em grande escala do universo, e assim "justificá-la". Em outros lugares, a distribuição da matéria escura permite não apenas justificar a coesão das galáxias, mas também a forma de suas curvas de rotação. Tudo isso é publicado abundantemente e sem problemas (Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics, etc.). Distingue-se a "matéria escura fria" e a "matéria escura quente".

Algumas especulações parecem, portanto, "permitidas".

A questão da constante cosmológica e da idade do universo.

Primeiro, situemos sua origem. Com sua equação de campo:

**S = **c T

...Einstein imediatamente procurou construir um modelo de universo (1917). Mas como ignorava que este era não estacionário, tentou construir um modelo estacionário. Encontrou, então, inúmeros problemas e foi visitar o matemático francês Elie Cartan, que lhe disse:

• Pode-se modificar sua equação. Proponho:

**S = **c T - Lg ** **

onde **g **é o tensor métrico e L uma constante. Assim, a equação permanece bem tensorial e sua solução continua invariante sob mudanças de coordenadas.

• Mas qual é o significado físico dessa constante L?

• Isso, meu caro, é seu problema. Eu sou matemático...

A partir de uma equação de campo, assumindo que a curvatura é pequena e as velocidades de agitação térmica são pequenas em comparação com a velocidade da luz c, pode-se recuperar a dinâmica newtoniana. A força de Newton passa então a ter um termo corretivo:

...Esse termo corretivo era proporcional à distância. A expressão "poder repulsivo do vácuo" é comumente usada (ou atrativo, dependendo do sinal escolhido para essa constante arbitrária L).

...Esse poder repulsivo do vácuo era a pedra angular que permitia ao universo estacionário de Einstein alcançar um equilíbrio (embora instável). Mas, muito rapidamente:

• A descoberta de Edwin Hubble revelou um deslocamento para o vermelho z, interpretado como um movimento geral de expansão cósmica (efeito Doppler). Assim, adeus ao modelo de universo estacionário.

• O russo Friedmann, nesse mesmo momento, descobriu as soluções não estacionárias da equação de campo, sem constante cosmológica.

Insatisfeito, Einstein se retirou sob sua tenda dizendo:

• Se eu soubesse que o universo era não estacionário, teria encontrado antes Friedmann!

...A constante cosmológica então caiu em quase esquecimento durante décadas. Alguns apresentaram argumentos defendendo sua necessária nulidade. O fato é que, referindo-se a ações em grandes distâncias, ela só fazia sentir sua ação de forma tardia, quando a dimensão característica R(t) do universo havia atingido "um valor suficiente".

...As medições de deslocamento para o vermelho, da velocidade radial das galáxias, permitem calibrar a lei de Hubble, que decorre da solução da equação de campo e afirma simplesmente:

A velocidade de afastamento é proporcional ao deslocamento para o vermelho z

A constante de proporcionalidade chama-se constante de Hubble Ho.

...Uma observação para quem não sabe. Um átomo, em laboratório, em repouso em relação ao aparelho de medição, emite, por exemplo, radiação correspondente a um comprimento de onda l. Devido ao efeito Doppler, o mesmo átomo em movimento produzirá um comprimento de onda: l' = l + D l

Define-se:

| Dl |
|---|
| l |

Se D l for positivo: a fonte se afasta: deslocamento para o vermelho.

Se D l for negativo, a fonte se aproxima: "deslocamento para o azul".

A constante de Hubble também aparece na lei de expansão R(t) em função do tempo:

...Sabe-se que, na verdade, existem três modelos de Friedmann, que diferem apenas na descrição que fazem do futuro distante do cosmos.

No esquema a seguir, onde supõe-se estar "suficientemente longe" do futuro distante do universo, as três curvas coincidem.

...Portanto, o conhecimento da lei de expansão cósmica, da constante de Hubble, permite imediatamente, segundo esse modelo (com constante cosmológica nula), deduzir a idade do universo.

...Imaginemos que façamos uma fotografia instantânea da explosão de uma granada. O tempo de exposição causaria um certo desfoque nos objetos, permitindo estimar suas velocidades, e, portanto, calcular, examinando apenas uma foto, o momento em que a explosão começou. A explosão cósmica é, é claro, diferente da explosão de uma granada, por sua dinâmica, já que a força da gravidade, freando a expansão, a reduz progressivamente.

...Os objetos do cosmos estão animados de movimentos próprios, de maneira semelhante às moléculas de um gás, que estão em movimento de agitação térmica. Fala-se, por isso, de "fluido cosmológico", um "gás" cujas moléculas seriam as galáxias.

...Para poder avaliar a constante de Hubble, era necessário basear as medições em objetos suficientemente distantes, portanto animados de velocidades suficientemente altas para que essas ultrapassem o valor médio da velocidade de agitação...