O que é matéria escura?

Uma substância indescritível que permeia o universo exerce muitas influências gravitacionais detectáveis, mas ainda não foi detectada diretamente.

Físicos e astrônomos determinaram que 25% da matéria no Universo é "matéria escura" - cuja existência foi  efeitos gravitacionais, mas não através de influências eletromagnéticas, como encontramos em matéria comum e familiar. Apesar de ser um dos conceitos mais simples, a matéria escura pode, no entanto, ser mistificadora por causa da nossa perspectiva humana. Cada um de nós tem cinco sentidos, todos originários de interações eletromagnéticas. A visão, por exemplo, baseia-se em nossa sensibilidade à luz: ondas eletromagnéticas que se encontram dentro de uma faixa específica de frequências. Podemos ver o assunto com o qual estamos familiarizados porque os átomos que o emitem ou absorvem luz. As cargas elétricas transportadas pelos elétrons e prótons nos átomos são a razão pela qual podemos vê-la.

A matéria não é necessariamente composta de átomos, no entanto. A maior parte pode ser feita de algo totalmente distinto. A matéria é qualquer material que interage com a gravidade como a matéria normal - aglomerando-se em galáxias e aglomerados de galáxias, por exemplo.

Não há razão para que a matéria deva sempre consistir em partículas carregadas. Mas a matéria que não tem interações eletromagnéticas será invisível aos nossos olhos. A chamada matéria escura não tem carga (ou ainda é indetectavelmente pequena) eletromagnética. Ninguém viu diretamente com seus olhos ou mesmo com instrumentos ópticos sensíveis. No entanto, acreditamos que está lá fora por causa de suas múltiplas influências gravitacionais. Estes incluem o impacto da matéria escura sobre as estrelas da nossa galáxia (que giram em velocidades muito grandes para que a força gravitacional da matéria ordinária domine) e os movimentos das galáxias em aglomerados de galáxias (novamente, muito rápido para ser explicado apenas pela matéria que vemos); sua marca na radiação cósmica de fundo em microondas  remanescente do tempo do big bang; sua influência nas trajetórias de matéria visível a partir de expansões de supernovas; a curvatura da luz conhecida como lente gravitacional; e a observação de que a matéria visível e invisível é separada em aglomerados de galáxias fundidos.

Talvez o sinal mais significativo da existência da matéria escura, no entanto, seja a nossa própria existência. Apesar de sua invisibilidade, a matéria escura tem sido fundamental para a evolução do nosso universo e para o surgimento de estrelas, planetas e até mesmo da vida. Isso ocorre porque a matéria escura carrega cinco vezes a massa da matéria comum e, além disso, não interage diretamente com a luz. Ambas as propriedades foram fundamentais para a criação de estruturas como as galáxias - dentro do período de tempo (relativamente curto) que conhecemos como sendo uma vida útil típica da galáxia - e, em particular, para a formação de uma galáxia do tamanho da Via Láctea. Sem matéria escura, a radiação impediria a aglomeração da estrutura galáctica por muito tempo, em essência, eliminando-a e mantendo o Universo suave e homogêneo. 

Algumas pessoas, ao ouvirem pela primeira vez sobre a matéria escura, sentem-se desanimadas. Como pode algo que não vemos existir? Pelo menos desde a revolução copernicana, os humanos devem estar preparados para admitir sua falta de centralidade na composição do Universo. No entanto, cada vez que as pessoas aprendem sobre isso em um novo contexto, muitas ficam confusas ou surpresas. Não há razão para que o assunto que vemos seja o único tipo de matéria que existe. A existência de matéria escura pode ser esperada e é compatível com tudo o que sabemos.

Talvez haja alguma confusão no nome. A matéria escura deveria ser chamada de matéria transparente porque, como todas as coisas transparentes, a luz passa por ela. No entanto, sua natureza está longe de ser transparente. Físicos e astrônomos gostariam de entender, em um nível mais fundamental, o que exatamente é a matéria escura. É feito de um novo tipo de partícula fundamental ou consiste em algum objeto invisível e compacto, como um buraco negro? Se é uma partícula, tem alguma interação (embora muito fraca) com matéria familiar, além da gravidade? Essa partícula tem alguma interação consigo mesma que seria invisível aos nossos sentidos? Existe mais de um tipo de tal partícula? Alguma dessas partículas tem interações de qualquer tipo?

Alguns físicos teóricos pensam em várias possibilidades interessantes. Em última análise, no entanto, aprenderemos sobre a verdadeira natureza da matéria escura apenas com a ajuda de mais observações para nos orientar. Essas observações podem consistir em medidas mais detalhadas da influência gravitacional da matéria escura. Ou - se tivermos muita sorte e a matéria escura tiver alguma interação minúscula e não gravitacional com a matéria comum que até agora não conseguimos observar - grandes detectores subterrâneos, satélites no espaço ou o Grande Colisor de Hádrons do CERN perto de Genebra poderiam no futuro detectar escuridão partículas de matéria. Mesmo sem essas interações com a matéria comum, as interações da matéria escura podem ter consequências observáveis. Por exemplo, a estrutura interna das galáxias em pequenas escalas será diferente se a matéria escura. As interações com ele mesmo reorganizam a matéria nos centros galácticos. Estruturas compactas ou outras semelhantes à Via Láctea, como as brilhantes nuvens de gás e as estrelas que vemos quando olhamos para o céu noturno, podem indicar uma ou mais espécies distintas de partículas de matéria escura que interagem umas com as outras. Ou partículas hipotéticas chamadas axions que interagem com campos magnéticos podem ser detectadas em laboratórios ou no espaço.

Para um teórico, um observador ou um experimentalista, a matéria escura é um alvo promissor para a pesquisa. Sabemos que existe, mas ainda não sabemos o que é em um nível fundamental. A razão pela qual não sabemos pode ser óbvia agora: é apenas não interagir o suficiente para nos dizer, pelo menos até agora. Como seres humanos, só podemos fazer muito se a matéria comum é essencialmente alheia a qualquer coisa que não seja a própria existência da matéria escura. Mas se a matéria escura tem algumas propriedades mais interessantes, os pesquisadores estão prontos para encontrá-las - e, no processo, para nos ajudar a abordar mais completamente esse maravilhoso mistério.

Via: Scientific American