A matéria escura é um dos maiores mistérios da física moderna. Invisível, não emite luz nem radiação detectável, mas sua influência gravitacional é mensurável em todo o Universo. Segundo os modelos cosmológicos atuais, cerca de 27% do conteúdo energético do Universo é composto por essa matéria ainda desconhecida, contra apenas 5% da matéria ordinária, chamada bariônica.
A existência da matéria escura foi sugerida pela primeira vez por Fritz Zwicky (1898-1974) em 1933, ao estudar as velocidades das galáxias do aglomerado de Coma. Ele constatou que a massa visível não era suficiente para manter o aglomerado gravitacionalmente ligado. Mais tarde, na década de 1970, Vera Rubin (1928-2016) mediu a curva de rotação das galáxias espirais. Ao contrário da lei de Kepler, que prevê uma diminuição da velocidade em função do raio, Rubin observou que a velocidade se estabilizava, implicando uma massa invisível dominante.
O aglomerado da Bala (1E 0657–56), localizado a cerca de 3,7 bilhões de anos-luz, é considerado uma demonstração direta da existência da matéria escura. Este aglomerado é o resultado da colisão de dois aglomerados de galáxias (ver imagem), cuja análise combina dados de raios X (em vermelho) e o efeito de lente gravitacional (em azul).
As observações realizadas pelo satélite Chandra mostram um gás extremamente quente (temperatura > 108 K), que irradia intensamente em raios X. Esse gás (em vermelho), que constitui a maior parte da massa bariônica visível dos aglomerados, é fortemente freado pelas forças de pressão durante a colisão. Ele se acumula assim no centro, entre os dois aglomerados.
A distribuição total de massa foi medida graças ao efeito de lente gravitacional sobre as galáxias de fundo. De maneira surpreendente, a massa gravitacional está deslocada em relação ao gás bariônico e se concentra ao redor das galáxias, de ambos os lados da zona de gás (em azul).
Essa dissociação clara entre a matéria bariônica (gás quente, de cor vermelha na imagem) e a massa gravitacional dominante (matéria escura, de cor azul) é considerada uma prova irrefutável de que a gravidade observada não pode ser explicada apenas pela matéria visível. Ela também contraria os modelos de gravidade modificada do tipo MOND, que preveem que a distribuição de massa deve seguir a da matéria bariônica.
O aglomerado da Bala se impõe assim como uma peça-chave a favor do modelo cosmológico padrão, chamado ΛCDM, onde cerca de 27% do conteúdo energético do Universo é atribuído à matéria escura.
A matéria escura desempenha um papel central na evolução do Universo:
| Hipótese | Natureza física | Massa típica | Domínio de ação | Vantagens | Limites |
|---|---|---|---|---|---|
| WIMPs | Partículas massivas que interagem fracamente | 10 GeV – 10 TeV | Cosmologia e dinâmica galáctica | Previstas por extensões do modelo padrão (SUSY), abundância compatível com o cálculo térmico do Big Bang | Não detectadas apesar de várias décadas de experimentos diretos e indiretos |
| Áxions | Partículas ultraleves | 10-6 a 10-2 eV | Cosmologia, astrofísica estelar | Podem resolver o problema de CP forte: a introdução de uma simetria de Peccei-Quinn se quebra espontaneamente, o que dinamiza o parâmetro θ da QCD para zero; a excitação quântica desse campo é o áxion | Dependem de experimentos de conversão fóton-áxion (ADMX, CAST), parâmetro de abundância cosmológica incerto |
| MACHOs | Objetos compactos massivos (anãs marrons, buracos negros primordiais) | 0,1 – 10 M☉ | Halos galácticos | Explicação astrofísica simples, observáveis por microlentes gravitacionais | População muito pequena para explicar a massa escura total, detecção estatisticamente limitada |
| Neutrinos estéreis | Neutrinos hipotéticos não interativos | keV – MeV | Cosmologia, formação de estruturas | Podem explicar uma matéria escura morna, afetam a formação de pequenas estruturas | Restritos pelo raio X e dados cosmológicos, modelo ainda especulativo |
| MOND | Modificação das leis de Newton em baixa aceleração | Sem partícula | Dinâmica galáctica | Explica com precisão as curvas de rotação galácticas sem matéria escura | Incompatível com a cosmologia (CMB, formação de aglomerados), sem detecção física |
| Partículas exóticas adicionais | Ex: gravitinos, superpartículas provenientes de SUSY | 10 GeV – 1 TeV | Universo primordial, halos galácticos | Podem ser estáveis a longo prazo e explicar a abundância observada | Detecção extremamente difícil, depende fortemente do modelo teórico |
Fontes: Bertone & Tait, Nature 2022, Particle Data Group 2024, ESA Planck Mission, Bahcall et al. 1999.
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