Serei o primeiro a admitir que não entendemos a matéria escura. Por exemplo, quando olhamos para uma galáxia e contamos todos os bits brilhantes e quentes, como estrelas, gás e poeira, obtemos certa massa. Quando usamos qualquer outra técnica para medir a massa, obtemos um número muito maior. Portanto, a conclusão natural é que nem toda a matéria do universo é quente e brilhante. Talvez alguns, se for, você sabe, está escuro.
Mas espere. Primeiro devemos verificar nossa matemática. Temos certeza de que não estamos apenas errando um pouco na física?
Dark Matter Detalhes
Uma peça importante do quebra-cabeça da matéria escura (embora certamente não seja a única, e isso será importante mais adiante neste artigo) vem na forma das chamadas curvas de rotação da galáxia. Enquanto observamos as estrelas girando em torno do centro de suas galáxias, por todos os direitos, as que estão mais longe do centro devem estar se movendo mais lentamente do que as mais próximas do centro. Isso ocorre porque a maior parte da massa galáctica está aglomerada no núcleo, e as estrelas mais distantes estão longe de tudo isso, e pela simples gravidade newtoniana elas devem seguir órbitas lentas e preguiçosas.
Mas eles não.
Em vez disso, as estrelas mais externas orbitam com a mesma rapidez que seus primos da cidade.
Como este é um jogo de gravidade, existem apenas duas opções. Ou estamos enganando a gravidade ou há coisas extras invisíveis que cobrem cada galáxia. E, tanto quanto podemos dizer, estamos obtendo a gravidade muito, muito bem (esse é outro artigo), então boom: matéria escura. Algo está mantendo essas estrelas livres presas dentro de suas galáxias, caso contrário, elas seriam lançadas como um carrossel fora de controle milhões de anos atrás; portanto, há um monte de coisas que não podemos ver diretamente, mas podemos detectar indiretamente.
Ficando pesado
Mas e se isso não for apenas um jogo de gravidade? Afinal, existem quatro forças fundamentais da natureza: nuclear forte, nuclear fraco, gravidade e eletromagnetismo. Algum deles pode jogar neste grande jogo galáctico?
A energia nuclear forte opera apenas em escalas subatômicas minúsculas, então está certo. E ninguém se preocupa com a energia nuclear fraca, exceto em certas raros decaimentos e interações, para que possamos colocar isso de lado também. E eletromagnetismo ... bem, obviamente, a radiação e os campos magnéticos desempenham um papel na vida galáctica, mas a radiação sempre empurra para fora (então, obviamente, não ajuda a manter as estrelas em movimento rápido controladas) e os campos magnéticos galácticos são incrivelmente fracos (não são mais fortes do que milionésimo do campo magnético da Terra). Então ... não vai, certo?
Como quase tudo na física, há uma saída sorrateira. Até onde sabemos, o fóton - o portador da força eletromagnética - é completamente sem massa. Mas observações são observações e nada na ciência é conhecido com certeza, e as estimativas atuais colocam a massa do fóton em não mais que 2 x 10-24 a massa do elétron. Para todas as intenções e propósitos, isso é basicamente zero para praticamente qualquer coisa com a qual alguém se preocupe. Mas se o fóton faztem massa, mesmo abaixo desse limite, pode fazer algumas coisas bem engraçadas ao universo.
Com a presença de massa no fóton, as equações de Maxwell, da maneira como entendemos eletricidade, magnetismo e radiação, assumem uma forma modificada. Termos extras aparecem na matemática e novas interações tomam forma.
Você pode sentir que?
As novas interações são adequadamente complicadas e dependem do cenário específico. No caso das galáxias, seus campos magnéticos fracos começam a parecer algo especial. Devido à natureza emaranhada e distorcida dos campos magnéticos, a presença de fótons maciços modifica as equações de Maxwell em somente o caminho certo para adicionar uma nova força atraente que, em alguns casos, pode ser mais forte que a gravidade sozinha.
Em outras palavras, a nova força eletromagnética pode ser capaz de manter as estrelas em movimento rápido, eliminando completamente a necessidade de matéria escura.
Mas não é fácil. Os campos magnéticos passam por todo o gás interestelar da galáxia, não pelas próprias estrelas. Portanto, essa força não pode atrair estrelas diretamente. Em vez disso, a força precisa dar a conhecer o gás e, de alguma forma, o gás deve informar as estrelas de que há uma nova cidade de xerife.
No caso de estrelas massivas e de vida curta, isso é bastante direto. O gás em si está girando em torno do núcleo galáctico em alta velocidade, forma uma estrela, a estrela vive, a estrela morre e os restos retornam a ser gás rápido o suficiente para que, para todos os efeitos, essas estrelas imitem o movimento do gás, dando nós as curvas de rotação que precisamos.
Grande problema em estrelinhas
Mas pequenas estrelas de vida longa são outro animal. Eles se separam do gás que os formou e vivem suas próprias vidas, orbitando em torno do centro galáctico muitas vezes antes de expirarem. E como não sentem a estranha força eletromagnética, eles devem se afastar completamente de suas galáxias, porque nada as mantém sob controle.
De fato, se esse cenário fosse preciso e fótons maciços pudessem substituir a matéria escura, nosso próprio sol não deveria estar onde está hoje.
Além disso, temos boas razões para acreditar que os fótons realmente não têm massa. Claro, as equações de Maxwell podem não se importar muito, mas a relatividade especial e a teoria quântica de campos certamente se importam. Você começa a mexer com a massa de fótons e tem muito o que explicar, senhor.
Além disso, apenas porque todo mundo adora curvas de rotação de galáxias não significa que eles são nosso único caminho para a matéria escura. Observações de aglomerados de galáxias, lentes gravitacionais, o crescimento da estrutura no universo e até mesmo o fundo cósmico de microondas apontam na direção de algum tipo de componente invisível para o nosso universo.
Mesmo se o fóton tivesse massa e fosse de alguma forma capaz de explicar os movimentos de todos estrelas em uma galáxia, não apenas as massivas, não seria capaz de explicar a série de outras observações (por exemplo, como uma nova força eletromagnética poderia explicar a curvatura gravitacional da luz em torno de um aglomerado de galáxias? Não é uma pergunta retórica - não pode). Em outras palavras, mesmo em um cosmos repleto de fótons enormes, ainda precisamos de matéria escura.
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