Técnicas de Detecção de Matéria Escura

Ao olhar para o universo, vemos galáxias, estrelas e poeira. É intuitivo imaginar que isso é tudo que constitui o espaço e que entre o sol e a terra não há nada a não ser o vácuo. Porém muitos estudos demonstram que nesse espaço aparentemente vazio, há o que é chamado de matéria escura. Por não emitir e nem absorver luz, não é possível vê-la. Porém esse tipo de matéria possui massa e portanto podemos detecta-la por inferência gravitacional.

Como não é possível ver a matéria escura, os cientistas conseguem detectá-la estudando o efeito gravitacional criado por ela. Quando astrônomos foram medir a distribuidão das massas em nossa galáxia, descobriram que a velocidade dos astros não diminuía ao se distanciar do centro gravitacional, na verdade até aumentava, então concluíram que a maior parte da massa total de nossa galáxia esta distribuída nas extremidades da mesma. Recebemos pouquíssima luz dessas regiões, portanto, qualquer matéria que tenha ali (e tem muita) é escura, pois não à vemos.

A maioria das técnicas existentes para a detecção da matéria escura são indiretas, e trabalham com o fato de que a matéria bariônica (protons, neutrons e também a luz) interage gravitacionalmente com a matéria escura. De fato, o resto dos experimentos de detecção que podem ser chamados de "diretos" estão ainda em desenvolvimento ou não apresentam ainda nenhum resultado relevante. Mas, as evidências observacionais são muito fortes para se descartar experimentos diretos de sucesso pois, ou existe matéria escura e vamos conseguir detecta-la, ou nosso "modelo padrão" precisa de urgente remodelagem. Dessa forma, não faz sentido falar em Técnicas de detecção de matéria escura, se essas técnicas (diretas) ainda não detectaram a máteria escura. 

Duas técnicas diretas em desenvolvimento muito provavelmente terão a merecida atenção em pouco tempo: Utilizando detectores criogênicos e detectores utilizando líquidos nobres. O funcionamento desses experimetos entra em um ramo muito específico da física, por isso não será discutido aqui. (ver referências)

Alguns cientistas “sugerem” que no princípio do universo, aglomerados de matéria escura atraíram os gases ao seu redor e assim começaram as primeiras interações para formações de galáxias. Ainda hoje, a matéria escura é um enigma para nossa ciência. O que a constitue, qual a sua distribuição no universo e quantidade, são questões fundamentais que quando respondidas, ajudaram a entender melhor a origem do universo.

Referências:

http://arxiv.org/pdf/1203.2566v1.pdf

Lentes Gravitacionais: Vendo o Universo em Grande Escala

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As lentes gravitacionais são de certa forma telescópios naturais. Auxiliam astrofísicos e cosmólogos na detecção de matéria escura, descoberta de novos planetas, e na criação de modelos em grande escala de formação de aglomerados de galáxias.

Em 1783 um cientista chamado Cavendish se baseou na teoria de gravitação de Newton supondo que a luz era uma partícula (fato até então não confirmado na época) e calculou que um feixe de luz também deveria sofrer alteração em seu percurso devido à atração gravitacional de corpos massudos. Einstein, muito tempo depois (em 1905) formulou sua relatividade restrita, onde, pela equação , é inferido que podemos associar certa massa à energia e portanto o fóton (por ter uma massa associada à ele) deve sofrer gravidade. Esse raciocínio seguiu Einstein até 1911 quando ele propôs que a luz deveria seguir a trajetória do espaço curvado pela gravidade gerada por um corpo de grande massa, e que esse desvio (de acordo com seus cálculos) deveria ser metade do valor calculado pela gravitação de Newton. Einstein havia descoberto o efeito de lentes gravitacionais, mas não publicara nada sobre isso. Então manda uma carta para um astrônomo chamado Erwin Freundlich para registrar um eclipse Solar que aconteceria em 1913.

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1 - Carta de Einstein para Registrar o Eclipse (crédito - http://sites2.uai.com.br/jornalismo/imagem/CartaEinstein.gif)

Einstein explicara que a gravidade gerada pelo sol deveria fazer uma deflexão na luz das estrelas que estavam atrás e propôs à Erwin registrar o fenômeno e constatar que o desvio da luz seria de 0,84 segundos de arco. Houve uma expedição argentina para registrar o evento no Brasil, porém choveu.

Em 1914 Erwin organizou uma expedição na Criméia na Rússia onde aconteceria um eclipse total do sol, porém foram presos devido à primeira guerra mundial (foram soltos depois pois tinham passaportes americanos e o EUA era neutro nessa fase da guerra). O eclipse só foi registrado com sucesso em Sobral em 1919 (depois da equação elaborada por Einstein em 1915 em sua relatividade geral: que nos diz que a matéria curva o espaço) que de fato registrou um desvio de 0,84 segundos de arco na posição das estrelas. 

 

Em 1924 Chwolson escreveu o primeiro artigo sobre lentes gravitacionais, explicando que se os objetos não estiverem perfeitamente alinhados, veremos imagens duplas, e se estiverem alinhados, faz-se um anel da imagem. Mesmo sem conhecer as publicações de Chwolson, Einstein publica, em 1936 um artigo sobre as lentes gravitacionais explicando as mesmas coisas que Chwolson, mas deixado claro que era pouco provável haver o alinhamento entre uma galáxia distante e uma galáxia massiva entre os pontos de vista tendo que o desvio da luz pela gravitação dá-se por . Já Zwicky foi mais otimista em relação aos assuntos, pois assumiu que as galáxias poderiam agir como lentes gravitacionais e que uma das aplicações ( naquela época ) era a detecção de matéria escura (descoberta por Zwicky em 1934) e também determinar a massa de galáxias usando essa ferramenta. Em 1986 Roger Lynds e Vahe Petrosian descobriram o primeiro Conjunto de Arcos gravitacionais.

 2 - Evidência de arcos gravitacionais (crédito – NASA)

As lentes gravitacionais são muito utilizadas hoje pelos astrônomos e astrofísicos, para descobrir planetas escondidos por outros corpos em outras galáxias, estudar e determinar a massa de galáxias distantes, entender e medir os efeitos da matéria escura no universo e determinar distâncias. O ponto positivo de se usar esse acontecimento, é que é possível estudar um objeto apenas pela sua interação gravitacional.

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3 - Esquema de como funciona as Lentes gravitacionais (crédito - NASA)

Os estudos estatísticos sobre aglomerados de galáxias são feitos na terra, pois é preciso grandes áreas do céu para ter coerência estatística, e o telescópio espacial Hubble oferece visão de uma pequena área apenas, enquanto telescópios terrestres oferecem uma visão mais ampla do céu. O problema é que temos uma atmosfera que causa aberrações às imagens, tornando um tanto complicada a separação efeitos das lentes gravitacionais de refrações da nossa própria atmosfera. No mais, estamos em uma fase de transição, onde conhecimentos antes ligados somente à cosmologia e astrofísica no passado, estão sendo de grande importância nas outras áreas da física. As lentes gravitacionais são vistas hoje como grandes ferramentas para os Cosmólogos e Astrofísicos.


Acadêmico: Leandro de Almeida

Referências:

http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/features/news/grav_lens.html.

http://video.if.usp.br/node/373

Na literatura Especializada:

http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-abs_connect?db_key=AST&db_key=PRE&qform=AST&arxiv_sel=astro-ph&arxiv_sel=cond-mat&arxiv_sel=cs&arxiv_sel=gr-qc&arxiv_sel=hep-ex&arxiv_sel=hep-lat&arxiv_sel=hep-ph&arxiv_sel=hep-th&arxiv_sel=math&arxiv_sel=math-ph&arxiv_sel=nlin&arxiv_sel=nucl-ex&arxiv_sel=nucl-th&arxiv_sel=physics&arxiv_sel=quant-ph&arxiv_sel=q-bio&sim_query=YES&ned_query=YES&adsobj_query=YES&aut_logic=OR&obj_logic=OR&author=&object=&start_mon=&start_year=&end_mon=&end_year=&ttl_logic=OR&title=&txt_logic=OR&text=Gravitational+Lens&nr_to_return=200&start_nr=1&jou_pick=ALL&ref_stems=&data_and=ALL&group_and=ALL&start_entry_day=&start_entry_mon=&start_entry_year=&end_entry_day=&end_entry_mon=&end_entry_year=&min_score=&sort=SCORE&data_type=SHORT&aut_syn=YES&ttl_syn=YES&txt_syn=YES&aut_wt=1.0&obj_wt=1.0&ttl_wt=0.3&txt_wt=3.0&aut_wgt=YES&obj_wgt=YES&ttl_wgt=YES&txt_wgt=YES&ttl_sco=YES&txt_sco=YES&version=1