Como saber que a matéria escura existe se ela não pode ser detectada?

Desde a grande descoberta de Vera Rubin em 1977, várias evidências foram acumuladas através de observações astronômicas em diferentes escalas, desde galáxias e aglomerados até radiação cósmica de fundo em micro-ondas

Marina Cermeño Gavilán *

Sabemos que a matéria escura existe porque, embora não interaja com a luz – daí seu nome – ela interage com a matéria normal e tem um efeito gravitacional sobre ela. Chamamos de matéria normal, ou luminosa, tudo o que entendemos em nível teórico e que podemos observar: planetas, estrelas, até mesmo gás interestelar e também nós somos feitos dele. Sabemos disso muito bem, sabemos que é composto de partículas que explicamos com o modelo padrão da física de partículas.

Um dos efeitos dessa interação gravitacional é que a matéria escura pode mudar a trajetória de objetos compostos de matéria normal. Temos diferentes evidências disso e todas essas evidências indicam que a matéria escura representa cerca de 85% da matéria do universo. Temos esses testes em diferentes escalas. Por exemplo, em escalas galáticas; também na escala de aglomerados de galáxias, que são estruturas muito maiores, porque os aglomerados são compostos de dezenas ou centenas de galáxias; e em escalas cosmológicas, que são ainda muito maiores.

A primeira grande evidência é de 1977, quando a astrônoma americana Vera Cooper Rubin mediu a velocidade com que as estrelas giravam em um grupo de galáxias espirais. Aplicando as leis da gravitação, o que se espera é que a velocidade das estrelas cada vez mais distantes do centro diminua, já que a maior parte da matéria normal está no centro da galáxia. Mas o que Vera Cooper Rubin viu é que, longe desse centro, a velocidade ainda era constante. A única explicação para isso é que tinha que haver outra matéria que não víamos, e com uma massa nove vezes maior do que a da matéria que vimos. Foi a primeira evidência que provou irrefutavelmente a existência da matéria escura. E em verificações subsequentes, os mesmos resultados foram obtidos. Este é um exemplo de evidência galática, a menor escala.

A evidência em aglomerados de galáxias se concentra na medição da matéria através do efeito de lente gravitacional. Esse efeito se baseia no fato de que, de acordo com a teoria da relatividade de Einstein, quando os fótons – as partículas que compõem a luz – passam perto de um objeto com massa, sua trajetória se curva. Então, se tivermos uma fonte de luz que olhamos com um telescópio e, entre a fonte e o telescópio, houver um objeto massivo, você pode estimar a massa desse objeto medindo o quanto a luz se curvou. É assim que a matéria nos aglomerados de galáxias é calculada. E o que se viu com esse tipo de medição é que apenas 20% da matéria é luminosa; o resto não emite luz, então acredita-se que deve ser matéria escura.

Há também evidências em uma escala ainda maior, obtidas a partir da radiação cósmica de fundo. Essa radiação se originou quando o universo tinha 400.000 anos – agora tem 13,8 bilhões de anos – e podemos medi-la hoje. Ao estudá-la, obtemos informações sobre o momento no universo em que as estruturas começaram a se formar, exatamente quando os fótons começaram a viajar livremente e quando a radiação cósmica de fundo em micro-ondas se originou. Quando essa radiação é medida, suas características só são explicadas corretamente se aceitarmos que existe mais de 80% de matéria escura no universo.

Em outras palavras, todas essas evidências, em diferentes escalas e com diferentes métodos, predizem a matéria escura e. também. preveem a mesma quantidade. É por isso que temos tanta certeza de que a matéria escura existe, mesmo que não saibamos o que é por enquanto.

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Marina Cermeño Gavilán é doutora em Física Teórica, pesquisa matéria escura no Instituto de Física Teórica de Madri (UAM-CSIC).