No início dos anos 90, duas equipes de astrônomos se propuseram a medir a composição do universo. Essas equipes, conhecidas como High-Z Supernova Search Team e Supernova Cosmology Project, reuniram astrônomos de todo o mundo com o objetivo de mapear a expansão cósmica ao longo da vida do universo. Os astrônomos esperavam que a presença de toda a matéria e radiação no universo agisse como um freio na expansão, diminuindo-a gradualmente à medida que o cosmos envelhecesse.
Ao medir essa desaceleração, eles esperavam revelar toda a matéria e energia que compõem o universo. Essas colaborações internacionais utilizaram os telescópios mais potentes do mundo, como o telescópio Keck de oito metros no Havaí e o telescópio espacial Hubble em órbita, para vasculhar o céu em busca de supernovas distantes, que atuariam como faróis do cosmos distante. A medição do brilho dessas supernovas revelaria como o universo havia se expandido enquanto sua luz viajava por bilhões de anos.
Porém, os astrônomos tiveram uma surpresa: o universo não está desacelerando, mas sim acelerando sua expansão. Após repetidas verificações de suas observações e cálculos, eles apresentaram suas conclusões a um mundo perplexo. Para explicar essa expansão acelerada, havia algo mais no universo, algo inesperado que estava impulsionando o cosmos cada vez mais rápido.
Embora devam existir quantidades imensas dessa “substância” para produzir tal efeito, ela permaneceu e permanece totalmente invisível aos nossos telescópios. O que quer que esteja lá fora, entre as estrelas e galáxias, acelerando a expansão, é verdadeiramente escuro. Essa descoberta rendeu aos líderes do experimento, Brian Schmidt, Saul Perlmutter e Adam Riess, o Prêmio Nobel de Física de 2011.
A energia escura, como ficou conhecida, veio no final de um século tumultuado para a cosmologia. Os astrônomos haviam descoberto que nosso Sol era uma estrela comum em uma galáxia comum, em nenhum lugar em particular em um universo em expansão. Chocante foi a revelação de que, em termos de matéria, todos os átomos em todas as estrelas e em todas as galáxias são pouco mais do que figurantes cósmicos.
Toda a matéria que podemos ver parecia ser ofuscada por enormes quantidades de matéria invisível, revelada apenas por sua atração gravitacional. E, ao chegar a 1998, percebemos que mesmo essa matéria escura era significativamente superada pela presença da recém-descoberta energia escura. Dois vastos componentes do cosmos, invisíveis e, por séculos, indetectáveis.
Hoje, essa é uma das maiores questões da cosmologia: o que são esses componentes misteriosos que dominam o universo? Como eles operam? E de onde eles vieram?
PARTE I - USANDO A GRAVIDADE. Em 29 de maio de 1919, um eclipse solar total atravessou o Atlântico Sul. Duas expedições chefiadas pelos astrônomos britânicos Arthur Eddington e Frank Dyson foram enviadas para observar esse fenômeno, uma equipe veio para o Brasil e outra foi para a África Ocidental.
As expedições enfrentaram diversos desafios, desde instrumentos defeituosos até condições climáticas adversas. Na ilha do Príncipe, na costa africana, o eclipse estava previsto para as duas da tarde, mas durante toda a manhã Eddington ficou sob chuva torrencial, com o sol oculto pelas nuvens cinzentas até meia hora antes do eclipse. As nuvens continuaram a cruzar o céu mesmo enquanto escurecia, forçando Eddington a se ocupar apenas momentaneamente com a troca de placas fotográficas no telescópio, deixando escapar um dos espetáculos mais impressionantes da natureza.
A observação estaria fadada ao fracasso? Todo esse esforço teria sido em vão? Dias depois do eclipse, Eddington teve sua resposta, e a visão da humanidade sobre o universo mudou… para sempre.
O New York Times publicou a manchete “Luzes Tortas no Céu”, e o pouco conhecido Albert Einstein tornou-se o cientista mais famoso do mundo. Apenas quatro anos antes, durante os dias turbulentos da Primeira Guerra Mundial, Einstein havia publicado sua Teoria Geral da Relatividade, o ápice de uma década de trabalho árduo. A relatividade trouxe uma nova concepção da gravidade, substituindo as forças de Newton pela noção de um espaço-tempo flexível.
Durante a guerra, a relatividade era vista como uma curiosidade acadêmica, mas, com a paz restaurada, cientistas decidiram testar as previsões dessa nova teoria. Eles planejavam medir as posições de estrelas de fundo cuja luz passava próxima ao Sol e ficaria visível durante um eclipse, quando o brilho do Sol se reduziria temporariamente. Se Einstein estivesse correto, a gravidade do Sol agiria como uma lente, desviando suavemente a luz das estrelas de seu caminho em linha reta.
E, de fato, nas placas fotográficas obtidas no Brasil e na África, as estrelas haviam se deslocado exatamente conforme a previsão de Einstein. A teoria da relatividade havia triunfado. Embora esse resultado o tenha transformado em uma celebridade, Einstein acreditava que a lente gravitacional tinha pouca aplicação prática.
Ele pensava que as estrelas, por serem pouco massivas, não teriam um efeito significativo como telescópios naturais para ampliar o universo distante. Para Einstein não havia nada no universo com massa suficiente para ter tal efeito… ou pelo menos até onde ele sabia. Na década de 30, porém, o astrônomo Fritz Zwicky, que trabalhava no Instituto de Tecnologia da Califórnia, começou a explorar ideias surpreendentes.
Zwicky era um cientista brilhante, mas conhecido por sua personalidade espinhosa. Ele, que gostava de chamar seus rivais de “bastardos esféricos” — insinuando que eram bastardos de qualquer ângulo —, foi também um pensador original que desbravou conceitos novos sobre o cosmos. Foi Zwicky quem cunhou o termo “supernova” para descrever as gigantescas explosões estelares e reconheceu que esses eventos poderiam gerar remanescentes super densos, conhecidos como estrelas de nêutrons.
Em 1933, Zwicky voltou sua atenção para o Aglomerado de Coma, um vasto conglomerado de galáxias localizado a cerca de 300 milhões de anos-luz de distância. Esse aglomerado é imenso, contendo milhares de galáxias individuais. É importante lembrar que, na época, fazia apenas uma década que a humanidade havia compreendido que a Via Láctea não estava sozinha no universo — que, de fato, existiam incontáveis outras galáxias espalhadas pelo cosmos.
Zwicky deduziu que as galáxias dentro do Aglomerado de Coma eram mantidas em suas órbitas pela atração gravitacional de todas as outras galáxias ao redor. Ele percebeu que, ao medir as velocidades das galáxias, poderia calcular a quantidade de massa presente no aglomerado, criando uma nova forma de pesar, entre aspas, as galáxias. Porém, ao fazer isso, Zwicky encontrou um problema.
As galáxias no Aglomerado de Coma estavam se movendo rápido demais. Com a quantidade de matéria visível, cada galáxia deveria se mover em órbitas bem mais lentas. Em vez disso, elas se deslocavam a velocidades de quase mil quilômetros por segundo.
A essa velocidade, o aglomerado inteiro deveria se desintegrar. Ficava claro que havia uma quantidade de gravidade muito maior do que a causada pelas galáxias visíveis, algo que mantinha o Aglomerado de Coma unido. Mas… de onde vinha essa gravidade extra?
Sem encontrar uma explicação evidente, Zwicky postulou a existência de uma “Dunkle Materie” — ou matéria escura — que ligaria gravitacionalmente o aglomerado. Ele concluiu que a quantidade de matéria escura precisava ser muito maior do que a de todas as estrelas visíveis. A descoberta de Zwicky de que grande parte da massa do universo é escura foi uma revelação chocante.
Surgiram então várias questões: Quanto dessa matéria existe? Do que ela é feita? E como poderíamos detectá-la?
Essa descoberta revolucionária deveria ter impactado profundamente a astronomia. No entanto, a reação foi um silêncio quase total. Possivelmente devido ao temperamento pouco amigável de Zwicky, a noção de matéria escura ficou praticamente esquecida, perdida entre artigos científicos de baixa circulação.
Nas décadas seguintes, o foco dos astrônomos voltou-se para outra questão emergente: medir a velocidade de expansão do universo. Na década de 1970, a tecnologia de observação deu um salto: telescópios maiores e instrumentos mais sensíveis revelaram novos detalhes sobre o cosmos. Com esse avanço, surgiu uma geração de astrônomos que começou a fazer perguntas ousadas e desafiadoras sobre o universo.
Uma dessas astrônomas era Vera Rubin, que mirou suas pesquisas em galáxias espirais, semelhantes à nossa Via Láctea. Trabalhando ao lado de Kent Ford, Rubin queria compreender o padrão de rotação dessas galáxias. Sua jornada na astronomia não foi fácil, pois ainda era uma área dominada por homens, com poucas mulheres atuando.
Ao longo de sua carreira, Rubin enfrentou resistência e dificuldades até nas questões mais básicas, como a falta de banheiros femininos nos observatórios onde conduzia suas observações. Mas nada disso a impediu de fazer medições meticulosas das velocidades das estrelas em galáxias espirais. A expectativa era que as galáxias espirais funcionassem como o Sistema Solar: a maior parte de sua massa concentrada no centro, fazendo com que as estrelas no disco rotacional diminuíssem a velocidade à medida que se afastavam do núcleo galáctico, onde a gravidade deveria ser mais fraca.
Mas, Rubin encontrou algo totalmente diferente. As velocidades das estrelas não diminuíam — na verdade, permaneciam constantes até as bordas das galáxias. Rubin, assim como Zwicky décadas antes, encontrou um enigma gravitacional: o que estava fornecendo a gravidade extra necessária para manter as estrelas em movimento constante?
A teoria de Zwicky sobre a matéria escura retornou ao centro das discussões. Tornava-se cada vez mais evidente que o que nossos telescópios mostravam — estrelas, nuvens de gás e poeira — representava apenas uma fração da realidade cósmica. Era como se existisse todo um universo sombrio e invisível, uma quantidade significativa de matéria que não emite luz, mas exerce gravidade.
Conforme as evidências se acumulavam, os astrônomos se voltaram para uma previsão teórica de Einstein que, até então, parecia sem propósito prático: as lentes gravitacionais. Zwicky já havia sugerido, anos antes, que com a presença de matéria escura, galáxias e aglomerados poderiam agir como lentes gravitacionais. Mas foi apenas na década de 1960 que os cientistas começaram a entender esse fenômeno e a procurar uma fonte de energia poderosa o suficiente para ser observada claramente: os quasares.
Os quasares, que aparentam ser apenas pequenos pontos de luz, na verdade, brilham com a intensidade de cem trilhões de estrelas. Descobriu-se que esses corpos luminosos são alimentados por buracos negros supermassivos, que, com sua gravidade extrema, atraem material a quase a velocidade da luz, acelerando e aquecendo ao ponto de emitir luz intensa. Por serem incrivelmente luminosos, os quasares podem ser observados a distâncias colossais, bilhões de anos-luz da Terra.
Com métodos de observação aprimorados, a busca por quasares na década de 70 se tornou mais eficiente. Em 1979, um quasar batizado de Jumeau apresentou um mistério peculiar. Ele parecia ser dois quasares próximos no céu — algo não incomum.
No entanto, os astrônomos perceberam que essas duas imagens do quasar eram idênticas. Logo, concluíram que estavam diante de um fenômeno de duplicação: entre nós e o quasar, havia uma galáxia massiva cuja gravidade distorcia a luz do quasar, criando duas imagens separadas de um único objeto distante. Zwicky, mais uma vez, estava correto.
O conceito de lente gravitacional, observado pela primeira vez sob os céus do Brasil e da África mais de 80 anos antes, finalmente havia encontrado seu lugar na astronomia moderna, revelando, no processo, um universo no qual matéria escura desempenha um papel fundamental na estrutura e dinâmica do cosmos. Nas décadas que se seguiram, os astrônomos descobriram milhares de lentes gravitacionais. Embora muitas fossem causadas por galáxias individuais, as mais impressionantes resultavam da gravidade colossal de aglomerados de galáxias.
Essas lentes ampliavam galáxias extremamente distantes e normalmente invisíveis aos nossos telescópios, fazendo-as aparecer como enormes arcos de luz. Cada uma dessas lentes gravitacionais permitia que os astrônomos calculassem a massa total do sistema a partir da intensidade da distorção gerada. E, inevitavelmente, a conclusão era sempre a mesma: havia muito mais massa presente do que o visível em estrelas e gás.
Na realidade, a maior parte da matéria em nosso universo é completamente escura. Mas as lentes gravitacionais não foram a única evidência da onipresença no cosmos da matéria escura. Em todos os cantos do universo, os astrônomos encontravam sinais de sua presença.
Desde o movimento das galáxias pelo espaço até a densidade do gás em aglomerados, que havia sido comprimido sob o efeito da matéria escura, as observações deixavam claro que essa forma misteriosa de matéria dominava a gravidade do universo. Finalmente compreendemos que a matéria escura desempenhou um papel fundamental na própria formação do cosmos. PARTE II - O GRANDE ESCULTOR.
Quando olhamos para o céu noturno, ele parece pontuado por estrelas que formam padrões familiares. Por milênios, culturas de todo o mundo interpretaram formas nesses padrões, atribuindo-lhes significados e histórias. Desde os egípcios antigos até os incas, as constelações fascinaram a humanidade.
Mas, além desses padrões visíveis, escondem-se estruturas muito mais vastas e incrivelmente complexas, com aglomerados de galáxias a bilhões de anos-luz de distância e contendo incontáveis bilhões de estrelas. A grande muralha, o arco gigante e, onde vivemos, o superaglomerado Laniakea. E foi na década de 1970, que os astrônomos começaram a mapear essas galáxias, criando os primeiros esboços de um atlas do universo.
A ideia era simples: medir a velocidade com que as galáxias se afastavam de nós devido à expansão do universo para determinar sua distância. No entanto, essa tarefa envolvia a análise cuidadosa da luz de uma quantidade gigantesca de galáxias — um trabalho exaustivo. Programas foram organizados, como o “The CfA Redshift Survey”, do Centro de Astrofísica da Universidade de Harvard, que mediu a luz de inúmeras galáxias.
Conforme os dados se acumulavam, a estrutura do universo foi se revelando: as galáxias não estavam distribuídas ao acaso, mas sim organizadas em uma imensa teia cósmica, onde aglomerados se ligavam por filamentos, separados por vastos vazios que conferiam ao universo uma aparência de esponja cósmica. Na década de 90, dois astrônomos, John Huchra e Margaret Geller, analisaram a luz de dezoito mil galáxias, identificando estruturas gigantescas como a Grande Muralha e o Stick Man, cada uma composta por milhares de galáxias. Pesquisas subsequentes, como o 2dF Galaxy Redshift Survey e o Sloan Digital Sky Survey, mapearam mais de um milhão de galáxias, revelando em detalhes essa impressionante rede de aglomerados, filamentos e vazios que permeia o universo.
Essas descobertas, no entanto, levantaram uma questão fundamental: de onde veio toda essa estrutura? Os astrônomos sabiam que o universo começou com o Big Bang, mas, inicialmente, esse nascimento explosivo deixou o cosmos aparentemente sem características definidas. O hidrogênio e o hélio que se formaram nos primeiros minutos estavam distribuídos de maneira uniforme.
Mas, em segundo plano, algo mais acontecia: a matéria escura, silenciosamente, já começava a exercer sua influência. Embora o universo estivesse preenchido por partículas, essa distribuição inicial não era perfeitamente homogênea, e a matéria escura começou a moldar a estrutura que observamos hoje. Nos momentos iniciais do universo, uma expansão rápida e explosiva conhecida como inflação deixou pequenas ondulações na estrutura cósmica.
Certas regiões do universo primordial se tornaram um pouco mais densas, enquanto outras apresentavam uma densidade ligeiramente menor. Embora essas variações fossem incrivelmente sutis, foram suficientes para que a força gravitacional entrasse em ação. A partir dessas minúsculas flutuações de densidade, a gravidade começou a atrair mais matéria para as áreas com maior densidade, arrastando o gás de hidrogênio e hélio.
Cerca de cem milhões de anos depois, essas concentrações aumentaram, acumulando quantidades significativas de gás que começaram a se fragmentar em blocos de hidrogênio e hélio. Foi então, a partir desse gás em resfriamento e colapso, que surgiram as primeiras estrelas, trazendo a luz de volta ao universo e iluminando os pontos onde as primeiras galáxias se formariam. Nos bilhões de anos que se seguiram, a matéria escura continuou a atrair e agregar mais massa, formando núcleos cada vez mais densos onde estrelas e gás se acumulavam.
Hoje, aproximadamente 14 bilhões de anos após o Big Bang, as galáxias plenamente formadas residem no coração de vastos halos de matéria escura. Estudar a evolução das galáxias é uma tarefa de extrema complexidade. Para entender a dinâmica desses processos, os astrônomos precisam desvendar o movimento e o ciclo do gás, a formação e a morte das estrelas, além da criação de buracos negros.
Reunir todas essas variáveis em um único modelo é um desafio colossal, e, para isso, os astrônomos recorrem a supercomputadores, capazes de resolver as intrincadas equações não lineares que descrevem estes fenômenos. Hoje em dia, é uma prática comum entre os astrônomos gerar universos sintéticos, onde observam a interação de processos que moldaram o cosmos. Os resultados são espetaculares: nesses modelos, as galáxias emergem da névoa cósmica primordial, revelando que o verdadeiro escultor, por assim dizer, desse processo é a matéria escura, que fornece a estrutura necessária para que as galáxias evoluam.
Sem ela, as estrelas e galáxias jamais teriam começado a se formar com tamanha eficiência. Contudo, para que essa estrutura se consolidasse, os astrônomos perceberam que a matéria escura precisava possuir certas propriedades especiais. Além de sua influência gravitacional, ela teria que se mover devagar pelo universo, pois, caso contrário, a velocidade excessiva a espalharia pelo espaço, impedindo-a de se aglutinar em núcleos densos.
Por essa razão, ela foi batizada de “matéria escura fria,” com “fria” se referindo à sua baixa velocidade. Portanto, está claro, mais uma vez, que a matéria escura teve um papel crucial no desenvolvimento do universo e de sua complexidade. Entretanto, uma pergunta persiste: o que é, afinal, essa misteriosa matéria escura?
PARTE III - BRILHANDO UMA LUZ. Na década de 30, o físico Wolfgang Pauli enfrentou um enigma intrigante. A radioatividade era um campo de estudo já estabelecido, mas um tipo específico de decaimento de partículas, chamado decaimento beta, parecia agir de forma inexplicável.
Nesse processo, um núcleo atômico libera um elétron ou sua partícula oposta, o pósitron. Mas, algo estranho ocorria: entre uma coleção de núcleos atômicos idênticos, as partículas ejetadas apresentavam energias e velocidades diferentes. Algumas saíam em alta velocidade, enquanto outras se moviam mais devagar, sugerindo que algumas partículas carregavam mais energia que outras.
Como isso era possível? A conservação de energia, um princípio fundamental da física, exigia que todas essas partículas tivessem a mesma velocidade e energia. Pauli, perplexo, questionou-se se a conservação de energia estava sendo violada, uma possibilidade perturbadora que ele não conseguia aceitar.
Em vez disso, ele sugeriu a existência de uma nova partícula, também expelida durante o decaimento beta, que carregaria a energia faltante. Ele a chamou de neutrino. Essa partícula teórica apresentava propriedades únicas: o fato de não interagir com átomos indicava que ela não era um fóton (a partícula da luz), mas algo completamente diferente.
Foi somente na década de 1950 que a partícula hipotética de Pauli, o neutrino, foi finalmente detectada em experimentos altamente sensíveis. Esses experimentos, realizados perto de reatores nucleares que produzem grandes quantidades de neutrinos, confirmaram sua existência. Os astrônomos então perceberam que o universo estava inundado de neutrinos, a maioria produzida durante as intensas reações nucleares que ocorreram nas primeiras fases do cosmos.
Por serem quase “fantasmagóricos” e interagirem muito pouco com a matéria, surgiu a ideia de que talvez esses neutrinos pudessem ser a misteriosa matéria escura. Contudo, à medida que os experimentos avançaram, ficou claro que os neutrinos, embora fascinantes, eram pequenos e rápidos demais para desempenharem o papel de matéria escura, que exige uma massa capaz de exercer uma atração gravitacional significativa. Com isso, os físicos tiveram que expandir sua busca por outras alternativas.
O que poderia ser suficientemente escuro e massivo para compor a matéria escura? Uma das possibilidades mais imediatas foi descartada rapidamente: a matéria escura não poderia ser composta de átomos. Embora, em teoria, fosse possível esconder matéria atômica esfriando-a para que não emitisse radiação, o processo de formação de elementos durante o Big Bang limita rigorosamente a quantidade de matéria atômica no universo.
E, mesmo que toda essa quantidade fosse escondida, não seria o suficiente para explicar a massa que observamos na matéria escura. Um outro candidato natural para a matéria escura foram os buracos negros. Por serem totalmente escuros e absorverem toda a luz ao seu redor, eles pareciam bons candidatos para compor essa matéria invisível, especialmente se tivessem se formado a partir de anomalias no espaço-tempo, criadas nos instantes iniciais do Big Bang.
Se assim fosse, um grande número de buracos negros primordiais poderiam estar espalhado pelo universo, flutuando entre as estrelas. Mas, como Einstein mostrou, cada buraco negro possui uma poderosa atração gravitacional que age como uma lente gravitacional, distorcendo e focando a luz das estrelas ao fundo. Quando um buraco negro passa diretamente em frente a uma estrela distante, essa lente gravitacional faria a estrela parecer temporariamente mais brilhante, um fenômeno que deveria durar em torno de um mês.
Mesmo assim, para que toda a matéria escura fosse composta por buracos negros, esse tipo de evento de lente gravitacional deveria ser relativamente frequente. Na década de 1990, os astrônomos começaram a procurar esses raros eventos de brilho, conhecidos como microlentes gravitacionais. Após mais de uma década de buscas, a resposta foi frustrante: a quantidade de eventos observada era muito baixa, indicando que a matéria escura não pode ser composta de buracos negros.
Enquanto isso, os físicos de partículas exploravam o mundo subatômico em busca de outra resposta. Ao longo do século XX, eles desvendaram a estrutura fundamental da matéria, identificando as partículas responsáveis pela massa e pelas forças que conhecemos, incluindo quarks e léptons, fótons e glúons, e até as mais exóticas, como os bósons W e Z. Esse mundo de partículas cresceu ainda mais em 2012, com a descoberta do bóson de Higgs, uma conquista que reforçou o Modelo Padrão da física de partículas.
Esse modelo provou ser notavelmente preciso, explicando com clareza os complexos fenômenos observados nas imensas colisões do Grande Colisor de Hádrons e em outros experimentos de ponta. Mas, apesar desse sucesso, sabemos que o modelo permanece incompleto, pois há duas peças essenciais do universo que ainda estão ausentes. O Modelo Padrão explica as forças nucleares forte e fraca e o eletromagnetismo, mas a gravidade permanece uma força inatingível no mundo quântico, e a matéria escura também não tem espaço entre as partículas já conhecidas.
Nenhuma das partículas identificadas até agora se encaixa como candidata óbvia para a matéria escura. Esse desafio se tornou uma oportunidade fascinante para físicos teóricos, que podem explorar maneiras de expandir as matemáticas do Modelo Padrão. Cada nova tentativa de aprimorar esse modelo abre uma nova possibilidade para a matéria escura.
Mas, assim como há muitos caminhos a seguir partindo de um único ponto, também há inúmeras direções possíveis para expandir essas ideias matemáticas e, quem sabe, encontrar a elusiva matéria escura. Na década de 70, uma ideia promissora surgiu enquanto a matemática do Modelo Padrão se consolidava. O problema envolvia a força forte, responsável por unir quarks dentro dos prótons e nêutrons, e por manter esses prótons e nêutrons firmemente ligados nos núcleos atômicos.
Inicialmente, a matemática permitia que a força forte violasse uma simetria do universo chamada paridade de carga, o que significaria uma quebra da simetria em certas condições. Mas, ao contrário do que a teoria previa, os experimentos mostraram que a força forte se comportava de forma “bem-comportada”, recusando-se a quebrar essa simetria. Isso exigiu uma extensão matemática para corrigir o modelo, conhecida como mecanismo de Peccei-Quinn, uma solução que assegurava que a simetria fosse mantida.
Esse mecanismo teórico implicava a existência de uma nova partícula fundamental. O prêmio Nobel Frank Wilczek batizou essa partícula hipotética de “axion”, em homenagem a uma marca de detergente, já que ela “limpava” muitos problemas da física. Os axions, embora hipoteticamente muito leves, seriam extremamente abundantes e teriam interações mínimas com a matéria atômica.
Essas características os tornavam candidatos ideais para a matéria escura. Porém, até hoje, nenhum axion foi detectado nas inúmeras colisões de alta energia realizadas no Grande Colisor de Hádrons. Mesmo assim, os axions permanecem candidatos promissores.
Outras tentativas de estender o Modelo Padrão também geraram alternativas intrigantes para a matéria escura. A teoria da supersimetria, por exemplo, dobra o número de partículas conhecidas: além de elétrons e quarks, teríamos seletrons e squarks, além de outras partículas como fotinos, winos e zenos. Talvez, entre essas partículas “gêmeas” e ainda desconhecidas, esteja a matéria escura que tanto procuramos.
Há ainda outras propostas exóticas, como neutrinos estéreis, que seriam versões mais massivas dos neutrinos comuns; cue balls (ou bolas de bilhar); um campo de Higgs latente; e até mesmo a matéria escura assimétrica. O desafio persiste: os físicos têm uma longa lista de possíveis candidatos, mas nenhum experimento até agora deu indicações concretas de que estamos no caminho certo para compreender o que realmente é a matéria escura. Na busca por respostas, alguns físicos de partículas juntaram forças com astrônomos, voltando seus olhos novamente para o cosmos.
Algumas teorias matemáticas sugerem que a matéria escura poderia se auto aniquilar, como fazem os pares elétron-positron, gerando radiação ao colidirem. Se a matéria escura realmente se auto aniquila, poderíamos detectar a radiação de alta energia produzida por essas colisões. Hoje, telescópios estão focados nas regiões onde acreditamos que a matéria escura seja mais densa, como o centro de nossa galáxia.
E temos uma pista promissora: um brilho inesperado de raios gama de alta energia vem dessa região, levantando a possibilidade de que seja a assinatura da matéria escura. Contudo, ainda não sabemos se esse sinal é devido a uma fonte astrofísica comum ou se pode, de fato, representar a descoberta da matéria escura. Só o tempo e investigações mais profundas poderão nos dar essa resposta.
Ao final da década de 1990, a questão da matéria escura ainda era um mistério intrigante, mas avanços estavam sendo feitos, e surgiam novas possibilidades. A composição do universo começava a se tornar um pouco menos nebulosa. Mas, como tantas vezes acontece na física, um novo resultado estava prestes a desafiar tudo o que acreditávamos saber.
PARTE IV - O GRANDE REPELENTE. Nossa história agora nos leva a outro grande componente misterioso: a energia escura, cuja descoberta abalou a física no final do século XX. Conforme o impacto dessa descoberta diminuía, as perguntas sobre o que exatamente seria essa substância enigmática se multiplicavam.
Embora a energia escura esteja na fronteira da ciência moderna, sua história tem raízes bem mais antigas. E é aqui que voltamos a Einstein. Quando desenvolveu a teoria da relatividade geral, Einstein procurava deduzir as equações que descrevem a dinâmica do universo.
Mas algo parecia estranho. Na época, acreditava-se que o universo era estático e imutável — que ele permanecia o mesmo, hoje e sempre. No entanto, as equações de Einstein contavam uma história diferente: o universo deveria ser um lugar dinâmico, em constante transformação e expansão.
Perplexo, Einstein examinou novamente suas equações, buscando entender se algo crucial havia sido ignorado. Foi então que notou a presença de um termo capaz de atuar como uma espécie de antigravidade. Apesar da falta de evidências diretas para essa força antigravitacional, ele presumiu que era zero.
Mas ele ainda se perguntou: e se esse termo não for zero? A partir dessa especulação, Einstein descobriu uma possibilidade notável: ele poderia usar esse termo, a chamada constante cosmológica, para equilibrar a natureza expansiva de suas equações e, assim, manter o universo estático, exatamente como ele imaginava. Após introduzir essa constante e se sentir satisfeito, apresentou sua ideia ao mundo.
Nem todos, contudo, ficaram convencidos. O físico russo Alexander Friedmann, em particular, acreditava que um universo dinâmico e em expansão era muito mais plausível. Inicialmente, Einstein rejeitou a conclusão de Friedmann, mas, ao final, foi persuadido pelos argumentos.
Reconhecendo a visão inovadora de um universo em expansão, ele abandonou a constante cosmológica, chegando a descrevê-la como seu maior erro. Esse repúdio foi tão contundente que ninguém se atreveu a considerar a constante cosmológica por muitas décadas. Enquanto Einstein e outros teóricos debatiam sobre a natureza do universo, os astrônomos seguiam com suas observações.
No Observatório Mount Wilson, Edwin Hubble usava o então maior telescópio do mundo, o Hooker de 100 polegadas, para calcular as distâncias das galáxias, com base em estrelas conhecidas como cefeidas, que funcionavam como “velas padrão. ” Ao medir o brilho real dessas estrelas, Hubble determinava a distância até suas galáxias hospedeiras. Quando Hubble comparou as distâncias galácticas com suas velocidades (medidas pelo efeito Doppler), encontrou algo surpreendente: quanto mais distantes estavam as galáxias, mais rápido se afastavam.
Além disso, exceto as mais próximas, todas se moviam para longe de nós. Hubble havia, sem perceber, descoberto a prova de que o universo estava se expandindo. Durante o século 20, os astrônomos aprimoraram as observações de Hubble.
Programas de observação extensivos foram implementados para mapear o universo, registrando as distâncias e velocidades de milhares de galáxias, com o objetivo de definir a taxa de expansão universal, medida pela constante de Hubble. E é aqui que nossa história se conecta novamente ao começo. Estudos modernos, usando supernovas como velas padrão, revelaram que a expansão do universo está, na verdade, acelerando.
Isso nos leva a uma nova pergunta: o que é essa força obscura que impulsiona essa aceleração? Para começar, ela não pode ser matéria ou radiação, pois ambas tendem a desacelerar a expansão. Algo totalmente diferente, com propriedades antigravitacionais, seria necessário para acelerá-la.
Esse “algo” foi nomeado energia escura, mas, na verdade, o conceito resgata a constante cosmológica de Einstein. A presença da energia escura não foi a única revelação surpreendente. Quando os astrônomos completaram a contabilidade cósmica, descobriram que toda a matéria atômica — incluindo estrelas, planetas, imensas nuvens de gás e galáxias — constitui menos de 5% do universo.
A matéria escura, que forma a espinha dorsal do cosmos, representa cerca de 25%, enquanto a energia escura responde pelos 70% restantes. Essa descoberta deixou muitos físicos perplexos: por que o universo é amplamente dominado por uma substância tão enigmática? Nas duas décadas seguintes à descoberta da energia escura, as evidências de sua existência tornaram-se esmagadoras.
Ela se manifesta na distribuição das galáxias, espalhadas por bilhões de anos-luz, e também está gravada na radiação cósmica de fundo, o “eco” do nascimento do universo. Para além de sua presença, a energia escura possui propriedades bizarras que ainda desafiam nossa compreensão. À medida que o universo se expande, a matéria e a radiação se dispersam e se diluem, tornando-se menos densas com o passar do tempo.
A energia escura, por outro lado, parece manter uma densidade constante, como se não fosse afetada pela expansão. Isso implica que, no universo primitivo, quando a matéria e a radiação eram abundantes e densas, a influência da energia escura era insignificante. Mas, há cerca de cinco bilhões de anos, essa situação mudou drasticamente.
A matéria havia se diluído tanto que a energia escura se tornou o elemento dominante, desencadeando a aceleração da expansão cósmica. Essa expansão acelerada tem consequências profundas: ao diluir ainda mais a matéria, ela garante que, no futuro distante, o universo será completamente dominado pela energia escura. Dentro de aproximadamente 100 bilhões de anos, essa expansão terá levado todas as galáxias, exceto as pertencentes ao nosso grupo local, para além do nosso horizonte cósmico, tornando-as invisíveis.
O universo, então, será um vasto vazio escuro, onde nenhuma nova luz poderá chegar até nós. PARTE V - O MAIOR MISTÉRIO DA COSMOLOGIA. Na mecânica quântica, o conceito de vazio é bem diferente do que imaginamos.
Mesmo o espaço aparentemente vazio contém flutuações de energia, conforme permite o princípio da incerteza de Heisenberg, que permite que partículas e energia surjam e desapareçam em escalas incrivelmente pequenas. Essas flutuações criam uma tensão no vácuo quântico, uma espécie de pressão que pode ser medida em experimentos. Embora as equações cosmológicas nos ofereçam poucas pistas concretas sobre a natureza da energia escura, elas nos dizem algo importante: ao contrário de um gás comum, que possui pressão de expansão, a energia escura exerce uma tensão que age como uma força de tração.
Curiosamente, essa característica é semelhante à tensão no vácuo quântico, sugerindo que há uma possível conexão entre eles. Mas, o desafio começa quando os físicos tentam calcular a quantidade de energia nesse vácuo flutuante, pois sua resposta é simplesmente ridícula. Com uma discrepância de 10 elevado 120 vezes em relação ao valor observado da energia escura.
Essa diferença colossal tem sido chamada de “a pior previsão de toda a física,” mas também indica que, se o vácuo quântico realmente desempenha um papel na energia escura, há ainda muito a aprender sobre suas propriedades fundamentais. Essa ideia é apenas uma entre muitas. Na ausência de evidências observacionais sólidas, o campo da energia escura tornou-se um verdadeiro playground teórico.
Diversos modelos foram propostos, alguns postulando que a energia escura é um campo distante, operando silenciosamente no fundo do universo. Outros sugerem que pode haver uma relação entre a energia escura e a época da inflação — uma fase de expansão acelerada que teria ocorrido quando o universo tinha cerca de 10 elevado a menos 35 segundos de idade. A força motriz por trás dessa inflação seria um campo hipotético chamado de inflaton.
Assim, alguns teóricos se perguntam: a energia escura poderia ser uma manifestação tardia do inflaton? Até onde sabemos, essa resposta permanece incerta. O melhor que podemos dizer é: talvez.
Outro ponto de interrogação paira sobre a possibilidade de uma conexão entre a energia escura e a matéria escura. Alguns físicos criaram modelos matemáticos em que esses dois elementos interagem em um setor chamado setor escuro, onde poderiam compartilhar uma origem comum ou mesmo uma física inteiramente nova. Esse setor escuro poderia ter uma complexidade tão rica quanto a do mundo atômico, mas, por enquanto, temos poucas evidências para testá-lo, ficando no terreno das hipóteses.
Para desvendar esses mistérios, novas observações e medições são essenciais. Projetos experimentais já estão em andamento, e muitos outros estão sendo desenvolvidos, visando explorar o universo com novos telescópios imensos e sofisticados. No Chile, o Observatório Vera Rubin, com um telescópio de 8,4 metros, começará a varrer os céus em 2025, realizando uma das maiores pesquisas astronômicas já feitas.
Em seguida, o Telescópio Extremamente Grande, com seus colossais 40 metros de diâmetro, terá sua primeira observação ao céu, prevista também para 2025, que também está localizado no Chile. Ambos estão na linha de frente da busca para desvendar os segredos da matéria escura e da energia escura. Esses telescópios têm como um dos principais objetivos verificar se a energia escura é realmente a constante cosmológica de Einstein, ou se ela é algo mais dinâmico.
Talvez, ao longo dos bilhões de anos do universo, a energia escura tenha mudado, ou talvez tenha se transformado em matéria e radiação. Descobrir essas respostas nos daria uma visão sem precedentes sobre a verdadeira natureza da energia escura, além de abrir novas possibilidades para explorar as leis fundamentais da física. Todavia, até o momento, todas as observações indicam que a energia escura parece ser, de fato, a constante cosmológica de Einstein, permanecendo inalterada ao longo da história do universo.
Isso provoca uma sensação de desconforto entre os cosmologistas, pois sugere que a constante cosmológica poderia ser um conceito indecifrável — uma simples propriedade fundamental do espaço, mas sem uma origem compreensível, algo que simplesmente está lá, sem explicação. Essa incerteza vai ainda mais longe para alguns cientistas, que veem a falta de entendimento sobre a natureza da matéria escura e da energia escura como uma falha nas próprias leis fundamentais da física. Eles sugerem que, em vez de continuar buscando substâncias físicas em telescópios e aceleradores de partículas, deveríamos reconsiderar as teorias que fundamentam nosso entendimento do cosmos.
Por exemplo, e se a teoria da gravidade de Einstein não for a descrição completa e correta da gravidade, mas apenas uma aproximação? O que aconteceria se, em escalas cósmicas, a gravidade se comportasse de maneira estranha, não simplesmente enfraquecendo, mas agindo de forma diferente do que prevemos? Essa ideia poderia explicar fenômenos como a rotação das galáxias, as lentes gravitacionais e até a aceleração da expansão do universo, tudo isso sem precisar invocar a existência de matéria escura ou energia escura como substâncias físicas.
Mas, até agora, todas as tentativas de modificar ou substituir a teoria da relatividade geral falharam em igualar o sucesso matemático de Einstein. Hoje, o universo é amplamente dominado por seu lado sombrio — a matéria escura e a energia escura, cujos mistérios permanecem sem resposta. Se esses elementos são, de fato, entidades físicas reais, precisamos entender suas propriedades fundamentais para descobrir seu papel no cosmos.
Sem esse conhecimento, questões como sua origem na história do universo e seu impacto nas leis fundamentais da física continuam a ser enigmas difíceis, senão impossíveis, de resolver. Mas e se o lado sombrio não for físico, mas apenas uma consequência das limitações de nossas teorias? Se for isso o que nos impede de ver a verdadeira natureza do cosmos?
Nesse caso, a falha não seria das substâncias em si, mas das próprias teorias que usamos para descrever o universo. Se isso for verdade, estaríamos diante de uma revolução ainda maior na física, uma teoria que mudaria radicalmente nossa compreensão do cosmos. Por enquanto, o lado sombrio do universo continua a guardar as chaves para os maiores mistérios do cosmos — e ele as mantém firmemente trancadas.
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