É muita coisa não é mesmo? E a gente nem está vendo o céu completo. Imagina conseguir ver o céu inteiro numa imagem de campo profundo desse tipo. Tem muita coisa no Universo, tanto que a gente sequer consegue quantificar na nossa mente o número de galáxias e estrelas que existem.

Figura1: Imagem de Campo Profundo do Hubble. Créditos: NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)

Não vemos tudo

Mas, e se eu te disser que toda essa matéria em forma de estrelas junto com o gás que existe nas galáxias são apenas 4% de toda matéria que existe no Universo? Tudo que a gente consegue ver através de imagens em diferentes comprimentos de onda como o rádio, infra-vermelho e raios-X, por exemplo, não chega nem a 5% de tudo que existe no Universo. É como se dos 100 ingredientes que formam o universo, apenas 4 deles são coisas que a gente conhece. São o que chamamos de matéria ordinária ou matéria bariônica. Matéria bariônica é tudo aquilo que é formado por bárions: os prótons, nêutrons e elétrons, além de gás, poeira, fótons e neutrinos.

Cadê o resto?

Bom, mas e o resto? Cadê o resto dos ingredientes? O que eles são? Em um post anterior, eu falei com vocês sobre a história do Universo e chegamos até o ponto em que falamos da sua composição. A maior parte do conteúdo material do Universo é escuro: energia e matéria escuras. Escuras porque não sabemos do que são constituídas, mas entendemos os efeitos que elas causam. Sabemos também a proporção em que devem existir: cerca de 70% de energia escura para fazer a expansão do Universo hoje ser acelerada e 26% de matéria escura para explicar como as “coisas” estão organizadas no Universo, ou seja, como e onde as galáxias estão aglomeradas.

Matéria Escura

Figura 2: Charge. Todos perguntam “O que é a matéria escura?” e “Onde está a matéria escura?” Mas ninguém pergunta “Como está a matéria escura?”

A primeira evidência da existência da matéria escura veio a partir de estudos do astrônomo Fritz Zwicky, em 1933. Ao aplicar o teorema do virial para estudar o aglomerado de Coma, Zwicky deveria obter como resultado uma diminuição na velocidade de rotação das galáxias das partes mais externas do aglomerado em detrimento das galáxias mais centrais. Todavia, ele observou que as galáxias mais externas se moviam tão rápido quanto as centrais. Para que isso fosse possível, deveria existir mais matéria nas partes mais externas do que a matéria observada (matéria luminosa). Em outras palavras, toda matéria que emite luz: estrelas, gás e poeira, não é suficiente para explicar a velocidade de rotação das galáxias dentro do aglomerado. Deve existir uma matéria que não conseguimos ver mas que está ali fazendo as coisas se moverem mais rápido.

Vera Rubin, a rainha das galáxias

Figura4: Vera Rubin. Créditos: The Washington Post

Figura 3: Curva de rotação de galáxias espirais. Em azul (A), a curva de rotação calculada usando as equações de Newton, vermelho (B), a curva de rotação observada em função da distância das estrelas em relação ao centro da galáxias. Crédito : www.astronoo.com

Outra importante evidência da existência de matéria escura veio a partir da contribuição de Vera Rubin, uma astrônoma estadunidense pioneira no estudo de curvas de rotação de galáxias espirais. A Vera Rubin junto com o colega Kent Ford, estudaram a galáxia de Andrômeda, nossa vizinha, e observaram que as estrelas mais externas da galáxias giravam tão rápido quanto as estrelas centrais. Isso ia contra as leis de Newton, assim como observado por Zwicky anteriormente. Portanto, a Vera Rubin comprovava a existência da matéria escura que, apesar de ser invisível, influenciava no movimento das estrelas devido a interação gravitacional.

Lentes gravitacionais

Desde então, sabemos que precisamos da matéria escura pra explicar essas e outras observações astronômicas. Outro exemplo é o efeito de lentes gravitacionais, que ocorre quando a luz é desviada ao passar por uma região muito massiva do espaço-tempo. Logo, se em um aglomerado de galáxias temos matéria escura além da matéria luminosa, a luz deve ser defletida ao passar por essa região e provocar o efeito de lenteamento: que pode ser desde imagens múltiplas até arcos gravitacionais (como mostra a figura 5 abaixo).

Figura 5: Aglomerado de galáxias Abell 370, localizado a 4 bilhões de anos-luz de distância. Além de uma enorme quantidade de galáxias, existem arcos de luz azul. Esses arcos são, na verdade, imagens distorcidas de galáxias que estão atrás do aglomerado.

Figura 6: Imagem combinada do aglomerado de Bala. Vemos, em vermelho, a distribuição de matéria bariônica, vista a partir da emissão em raios-X e a matéria escura em azul, vista a partir do efeito de lenteamento gravitacional.

O aglomerado de Bala

Por fim, vamos falar um pouco sobre a melhor evidência de matéria escura que temos até hoje: o aglomerado de Bala (do inglês, Bullet Cluster). Esse aglomerado é, na verdade, o resultado da colisão de dois aglomerados de galáxias. Lembre-se que nos aglomerados de galáxias temos estrelas, gás e matéria escura.

Durante a colisão, as estrelas das galáxias observadas na faixa de luz visível não são afetadas pela colisão – apesar do aglomerado colidir, as estrelas são no máximo desviadas por efeitos gravitacionais. Olhando na faixa dos raios-X, conseguimos ver o gás quente que existe nos aglomerados. Os gases, por sua vez, interagem eletromagneticamente durante a colisão, de tal forma que se movem mais lentamente do que as estrelas. Finalmente, a componente de matéria escura é detectada indiretamente devido aos efeitos de lenteamento gravitacional dos objetos de fundo. Isso confirma e reforça o fato de que a matéria escura interage apenas gravitacionalmente.

Espero que o lado escuro tenha ficado mais claro para vocês. Nos encontramos no próximo post para falar sobre a energia escura.

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Você pode se perguntar se essa é a primeira vez que chegamos à Marte? A resposta é não, a NASA já enviou diversas missões ao planeta vermelho. A primeira aterrissagem de sucesso ocorreu em 1971, após várias tentativas falharem. A mais recente foi Curiosity, em 2012. Você pode conferir a lista completa das missões ao planeta vermelho aqui.

Por que é tão importante?

Nosso planeta vizinho vem sendo estudado há algum tempo, então por que dessa vez é tão importante? Essa será a primeira vez que uma missão irá coletar e armazenar rochas e regolitos marcianos que, posteriormente, serão trazidos à Terra em uma nova missão.

O ponto verde indica a cratera Jazero, onde o rover Perseverance pousou em Marte, em 18 Fev., 2021.
Créditos: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona

O planejamento é que a missão Mars 2020 dure 1 ano de Marte, o que são cerca de 687 dias na Terra. O principal objetivo da Perseverance é buscar por fósseis de vida, na forma de micróbios. O local escolhido para o pouso foi a cratera Jazero (o ponto verde na figura acima), que fica próximo do delta de um antigo rio em  Marte. Note que, um local onde a água já foi abundante apresenta grandes chances de ter abrigado alguma forma de vida no passado. Além de buscar por sinais de vida, a missão tem como objetivo fazer estudos sobre a geologia e o clima de Marte. Isso pode abrir caminho para uma missão tripulada no futuro, já pensou?

Os primeiros registros

Primeira imagem feita pelas Hazard Cameras em Marte.
Créditos: NASA/JPL-Caltech

Desde que aterrissou em Marte, o veículo Perseverance tem feito registros incríveis como: a primeira imagem colorida e de alta resolução do planeta vermelho e o som da superfície de Marte! Isso mesmo, agora nós vemos e ouvimos o que acontece em Marte. Se você quiser, também pode acompanhar onde está o Perseverance e conferir a galeria com todas as fotos do nosso vizinho vermelho.

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Os primeiros minutos

Algum mecanismo, ainda desconhecido, desencadeou a expansão do Universo.  Uma expansão rápida o suficiente para que seu tamanho aumentasse muito em frações de segundos. Como se uma bola de assopro fosse cheia com uma bomba super potente. À medida em que expandia, a matéria e radiação resfriaram o suficiente para que os quarks  pudessem formar os elétrons, prótons e nêutrons. Além disso, durante os primeiros 3 minutos de existência do Universo a temperatura havia diminuído o suficiente para formar os elementos leves como Hidrogênio, Hélio e um pouco de Lítio.  Os elementos mais pesados foram formados mais tarde, em núcleos de estrelas, no que chamamos de nucleossíntese estelar.

A Radiação Cósmica de Fundo

Radiação Cósmica de Fundo

Ora, o processo de expansão permitiu que o Universo resfriasse o suficiente para que a radiação pudesse viajar livremente sem interagir mais com os elétrons, período que chamamos de recombinação ou desacoplamento. Essa radiação chega até nós hoje na faixa de micro-ondas e recebe o nome Radiação Cósmica de Fundo (RCF). Ela foi observada, em 1965, por dois astrônomos, Arno Penzias e Robert Wilson, enquanto testavam uma antena de rádio. Eles mediram um sinal que vinha de todas as direções do céu. Após descartar a possibilidade de ser causado pela presença de sujeira das antenas ou outra contaminação, o sinal foi associado com as predições feitas pelo físico George Gamow, sobre uma radiação de origem primordial. Por essa descoberta, Penzias e Wilson ganharam o prêmio Nobel de 1978.

O primeiro telescópio

Luas de Júpiter observadas por Galileu.

Nossa viagem ao longo da história do Universo pode estar ficando um pouco confusa e complexa, então vamos com calma. Como surgiu essa ideia de que o Universo começou com uma grande expansão? Lembrem-se que hoje é comum o uso de telescópios e que, por causa deles, sabemos que existem outras galáxias além da nossa. Mas nem sempre foi assim, não tínhamos esse conhecimento 3 ou 4 séculos atrás. Até chegarmos nos telescópios que utilizam o famoso Dispositivo de Carga Acoplada (câmeras CCD), passamos por instrumentos rudimentares como a luneta de Galileu, telescópios que registravam as imagens em placas de vidro, em filmes fotográficos, até os modelos mais modernos.

Universo em expansão

Relação velocidade-distância entre nebulosas extra galácticas.

Portanto, foi a partir do uso comum dos telescópios que pudemos observar cada vez mais longe e chegar a conclusão de que o Universo vai muito além do que achávamos. No início do século 20, o astrônomo Edwin Hubble observou diversas galáxias. As técnicas disponíveis naquela época permitiram que ele medisse a distância e a velocidade dessas galáxias. A partir disso, ele construiu uma relação mostrando que quanto mais distante uma galáxia estava, mais rápido ela se afastava de nós – o Universo estava em expansão! Assim sendo, foi intuitivo pensar que tudo deveria vir de uma origem em comum.

Universo em expansão.

Voltando na seta do tempo.

O modelo cosmológico padrão

Um Universo em expansão é aceitável e está em acordo com a Teoria da Relatividade Geral (TRG), proposta por Albert Einstein em 1917. O sucesso da TRG é notável desde sua primeira confirmação observacional, em 1919, durante um eclipse solar em Sobral no Ceará. E mais recentemente através da observação das ondas gravitacionais. Todavia, o que abalou a comunidade científica no final do século passado foi o fato de que observações de Supernovas do tipo Ia, RCF e catálogos de galáxias, por exemplo, indicavam que estamos em uma fase de expansão acelerada. E isso não é algo intuitivo, pois a gravidade, que tem poder atrativo, não pode fazer as coisas se afastarem. Podemos então perguntar: o que há além?

Na tentativa de explicar aceleração e manter a TRG válida, devemos incluir uma componente extra de energia, a energia escura (EE), que possui pressão negativa. Além disso, precisamos de uma componente adicional de matéria, a Matéria Escura (ME), para explicar as curvas de rotação de galáxias e efeitos de lentes gravitacionais. Com essas duas componentes extras completamos a história do Universo: para quem tem pressa, construindo o cenário do Modelo Cosmológico Padrão (MCP). Um modelo que é baseado na TRG como teoria de gravidade, possui matéria padrão (prótons, elétrons e nêutrons), radiação, matéria escura e energia escura, e que apresenta um ótimo acordo com as observações astronômicas. 

O preço a ser pago é desconhecer a origem da EE e ME. Conhecemos seus efeitos mas somos ignorantes quanto a sua composição. Desta forma, podemos dizer que existem falhas no MCP? Sim. Porém, existem diversas alternativas para explicar a aceleração cósmica sem recorrer a uma componente exótica de energia. Mas essa é uma conversa que fica para outro dia, por hoje é tudo pessoal.

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