A procura pela matéria escura -- e o que encontramos até agora

Aproximadamente 85% da massa do Universo é "matéria escura" -- um material misterioso que não pode ser observado diretamente, mas tem imensa influência no Cosmos. O que exatamente é essa substância estranha, e o que ela tem a ver com a nossa existência? A astrofísica Risa Wechsler explora por que a matéria escura pode ser a chave para entendermos como o Universo é formado -- e compartilha como físicos em laboratórios de todo o mundo estão inventando maneiras criativas de estudá-la.

Vocês já pensaram sobre o que aconteceria

se o mundo fosse um pouquinho diferente?

Como suas vidas seriam distintas

se tivessem nascido daqui a 5 mil anos

em vez de hoje?

Como a história seria alterada

se os continentes estivessem
em latitudes diferentes

ou como a vida no Sistema Solar
teria se desenvolvido

se o Sol fosse 10% maior?

Brincar com esse tipo
de possibilidade é meu trabalho,

mas faço isso com o Universo inteiro.

Faço modelos de universos no computador,

universos digitais que têm
pontos iniciais diferentes

e são feitos de diversas quantidades
de tipos distintos de materiais.

Em seguida, comparo
esses universos ao nosso

para ver do que é feito e como evoluiu.

Esse processo de testar modelos
com medidas do céu

nos trouxe grandes ensinamentos
sobre nosso Universo até agora.

Uma das coisas mais estranhas
que descobrimos

foi que a maior parte
do material do Universo

é feita de algo totalmente
diferente de vocês e de mim.

Mas, sem ela,

o Universo como conhecemos não existiria.

Tudo aquilo que conseguimos
ver com os telescópios

representa por volta
de 15% da massa total do Universo.

Todo o resto, ou seja, 85% dele,

não emite nem absorve luz.

Não podemos enxergar
essa matéria a olho nu,

ou detectá-la com ondas de rádio,

micro-ondas ou qualquer outro tipo de luz.

Mas sabemos que ela está lá

por causa da sua influência
no que podemos ver.

É mais ou menos

como se quiséssemos mapear
a superfície da Terra

com tudo o que está sobre ela

apenas com o uso desta sua imagem
capturada do espaço durante a noite.

Temos certas pistas de onde a luz está,

mas há muito o que não podemos ver,

como pessoas ou até cadeias de montanhas.

E precisamos deduzir o que está lá
a partir dessas pistas limitadas.

Chamamos essa substância
invisível de matéria escura.

Muitas pessoas ouviram
falar sobre a matéria escura,

mas, mesmo se vocês já ouviram falar dela,

provavelmente é algo que parece abstrato,

distante, e talvez até irrelevante.

O interessante é que ela

está a nossa volta

e talvez aqui, mesmo.

Inclusive, as partículas de matéria escura

provavelmente estão adentrando
seus corpos neste instante,

enquanto estão sentados nesta sala.

Isso porque estamos na Terra,

que está girando ao redor do Sol,

que por sua vez está se deslocando
através da nossa galáxia

a aproximadamente 800 mil km/h.

Mas a matéria escura
não se choca contra nós;

ela apenas nos atravessa.

Então, como podemos
descobrir mais sobre ela?

O que ela é,

e o que tem a ver com a nossa existência?

Para descobrir como passamos a existir,

primeiramente precisamos entender
como nossa galáxia nasceu.

Essa é uma foto da nossa galáxia,
a Via Láctea, hoje.

Qual era sua aparência
há 10 bilhões de anos,

ou como ela se parecerá
daqui a 10 bilhões de anos?

E quanto ao caso

das centenas de milhões de outras galáxias

que já mapeamos através
de grandes pesquisas do céu?

Como suas histórias seriam diferentes

se o Universo fosse feito de outra coisa,

ou se houvesse mais ou menos matéria nele?

O fato interessante
sobre esses modelos de universo

é que eles nos permitem
testar essas possibilidades.

Vamos voltar ao primeiro
momento do Universo...

uma pequena fração
de segundo após o Big Bang.

Nesse primeiro instante

não havia nenhum tipo de matéria.

O Universo estava
se expandindo bem rapidamente.

E a mecânica quântica nos diz

que matéria é criada e destruída
o tempo todo, a cada instante.

Nesse momento, o Universo
se expandia tão rapidamente

que a matéria que se criou
não podia ser destruída.

Por isso, pensamos que toda a matéria
foi criada nesse instante.

Tanto a matéria escura

quanto a matéria convencional
que forma todos nós.

Agora, vamos um pouco além,

para um momento após a criação da matéria,

depois da formação de prótons e nêutrons

e do hidrogênio,

por volta de 400 mil anos
depois do Big Bang.

O Universo estava quente,
denso, e bem macio,

mas não perfeitamente macio.

Esta imagem, obtida com um telescópio
espacial sonda Planck,

nos mostra a temperatura do Universo
em todas as direções.

E tudo o que vemos

é que alguns lugares estavam
um pouco mais quentes

e densos do que outros.

As manchas nessa figura

representam os pontos onde havia
mais ou menos massa no Universo inicial.

Elas cresceram por causa da gravidade.

O Universo estava se expandindo
e se tornando menos denso, no geral,

ao longo dos últimos 13,8 bilhões de anos.

Mas a gravidade trabalhou
duro nessas manchas,

onde havia um pouco mais de massa,

e atraiu mais e mais massa
para essas regiões.

É um pouco difícil imaginar tudo isso,

então deixe-me mostrar
sobre o que estou falando.

Os modelos de computador que mencionei
permitem que testemos essas ideias,

então observemos um deles.

Este filme, que foi feito
pelo meu grupo de pesquisa,

nos mostra o que aconteceu ao Universo
após seus primeiros momentos.

Vemos que ele começou bem regular,

mas havia algumas regiões

com um pouco mais de material.

A gravidade se ativou e trouxe
cada vez mais massa

para aquelas manchas que começaram
com um pouquinho a mais.

Com o tempo,

há substância suficiente em um local

para que o gás hidrogênio,

que inicialmente estava
bem misturado com a matéria escura,

começasse a se separar dela,

se resfriar, formar estrelas...

então, temos uma pequena galáxia.

Com o tempo, depois de bilhões
e bilhões de anos,

essas pequenas galáxias se chocam,

se fundem e crescem
para se tornarem galáxias maiores,

como nossa galáxia, a Via Láctea.

E o que acontece sem a matéria escura?

Sem sua presença,

essas manchas nunca
se tornam compactadas o suficiente.

Acontece que é necessário pelo menos
1 milhão de vezes a massa do Sol

em uma região densa

antes que se possa
começar a formar estrelas.

E, sem a matéria escura,

nunca haverá material
suficiente em um só lugar.

Aqui observamos
dois universos, lado a lado.

Em um deles, podemos ver

que as coisas ficam
rapidamente desordenadas.

Nesse universo

é realmente fácil formar galáxias.

No outro,

os corpos que começam
como pequenos amontoados

mantêm-se realmente pequenos.

Não acontece muita coisa.

Nesse universo, não seria possível
ter uma galáxia como a nossa,

ou como qualquer outra.

Não teríamos a Via Láctea,

o Sol,

ou mesmo nós;

simplesmente não poderíamos
existir naquele universo.

Tá, essa coisa louca, a matéria escura,

compreende a maioria da massa do Universo,

está nos atravessando agora,
e não estaríamos aqui sem ela.

O que ela é?

Não temos ideia.

(Risos)

Temos várias conjecturas

e muitas ideias sobre como desvendar mais.

A maior parte dos físicos pensa
que a matéria escura é uma partícula,

em grande parte similar
às partículas subatômicas que conhecemos,

como prótons, nêutrons e elétrons.

Seja como for,

ela se comporta de maneira
muito parecida em relação à gravidade.

Mas ela não emite ou absorve luz,

e atravessa diretamente
a matéria convencional,

como se ela nem estivesse lá.

Gostaríamos de saber qual partícula ela é.

Por exemplo: qual o peso dela?

Ou: acontece alguma coisa
quando ela interage com a matéria normal?

Físicos têm várias ideias ótimas
sobre o que ela pode ser,

eles são bem criativos.

Mas é bem difícil,

porque essas ideias abrangem
uma variedade de coisas.

Ela poderia ser tão pequena
quanto as menores partículas subatômicas,

ou tão grande quanto a massa de 100 Sóis.

Então, como descobrimos o que ela é?

Bem, físicos e astrônomos

têm várias maneiras
de procurar pela matéria escura.

Uma das coisas que estamos fazendo
é construir detectores sensíveis

em minas subterrâneas profundas,

esperando pela possibilidade

de uma partícula de matéria escura,
que atravessa diretamente a nós e a Terra,

se chocar contra um material mais denso

e deixar para trás algum tipo
de traço de sua passagem.

Estamos procurando
pela matéria escura no céu,

pela possibilidade de que suas partículas

se choquem

e criem uma luz de alta energia
que poderíamos ver

com telescópios especiais de raios-gama.

Estamos até tentando produzir
matéria escura aqui mesmo, na Terra,

ao chocar partículas entre si
e observar o que acontece,

com o acelerador de partículas
Large Hadron Collider, na Suíça.

Bem, até agora,

todos esses experimentos
nos ensinaram bastante

sobre o que a matéria escura não é,

(Risos)

mas ainda não sobre o que ela é.

Havia muitas ideias ótimas
sobre o que ela poderia ser

que esses experimentos teriam mostrado.

E eles ainda não mostraram,

então temos que continuar
procurando e quebrando a cabeça.

Outra maneira de obter uma pista
sobre o que é a matéria escura

é pelo estudo das galáxias.

Já falamos sobre como nossa galáxia
e muitas outras nem estariam aqui hoje

sem a matéria escura.

Esses modelos também fazem predições

para muitas outras coisas sobre galáxias:

como elas são distribuídas no Universo,

como se movem,

e como evoluem com o tempo.

E podemos testar essas predições
através de observações do céu.

Então, deixe-me dar dois exemplos

desse tipo de medição
que conseguimos fazer com elas.

Primeiramente, é possível construir
mapas do Universo com as galáxias.

Faço parte de uma pesquisa
chamada Dark Energy Survey,

que fez o maior mapa do Universo até hoje.

Medimos as posições e as formas
de 100 milhões de galáxias,

mais de um oitavo do céu.

E esse mapa está nos mostrando
toda a matéria nessa região do céu,

que é inferida pela luz distorcida
dessas 100 milhões de galáxias,

luz de toda a matéria

que estava entre essas galáxias e nós.

A gravidade da matéria é forte
o suficiente para curvar o caminho da luz,

e isso nos dá essa imagem.

Esse tipo de mapa

pode nos contar sobre a quantidade
de matéria escura que existe,

e também nos dizer onde ela está

e como ela muda com o tempo.

Estamos tentando aprender
do que é feito o Universo

nas escalas mais grandiosas possíveis.

Acontece que as menores
galáxias no universo

fornecem algumas das melhores pistas.

Por que isso acontece?

Aqui estão dois exemplos
de simulação de universos

com dois tipos diferentes
de matéria escura.

Ambas as figuras mostram uma região

ao redor de uma galáxia
parecida com a Via Láctea.

E podemos ver que há
muitos outros materiais em volta dela,

pequeninos aglomerados.

Na imagem à direita,

as partículas de matéria escura se movem
mais devagar do que na figura esquerda.

Se essas partículas
estiverem se movendo muito rápido,

então a gravidade nos pequenos
amontoados não é forte o suficiente

para retardar tais partículas.

Assim, elas continuam indo,

e nunca colapsam
contra os pequenos aglomerados.

Então, acabamos com uma menor
quantidade delas no universo da direita.

Sem esses pequenos aglomerados,

há menor quantidade de galáxias pequenas.

Se observarmos o céu ao sul,

conseguimos enxergar
duas dessas pequenas galáxias,

as maiores desse tipo
que orbitam a Via Láctea:

a Grande Nuvem de Magalhães
e a Pequena Nuvem de Magalhães.

Nos últimos anos,

detectamos um número bem maior
de galáxias ainda menores.

Esse é o exemplo de uma delas,

que detectamos com a mesma pesquisa
sobre matéria escura

que usamos para fazer mapas do Universo.

São galáxias realmente pequenas,

algumas extremamente diminutas.

Algumas têm centenas
de estrelas, poucas delas

comparadas às centenas de bilhões
de estrelas da nossa Via Láctea.

Então, isso as torna
bem mais difíceis de se encontrar.

Mas, na última década,

na verdade, encontramos várias delas.

Hoje, conhecemos
60 dessas pequeninas galáxias

orbitando a Via Láctea.

E essas "companheirinhas" são
uma grande pista para a matéria escura,

pois a própria existência delas nos mostra

que ela não pode
estar se movendo tão rápido,

e que não acontece algo extraordinário
quando ela se encontra com matéria normal.

Durante os próximos anos,

faremos mapas muito mais precisos do céu.

Eles nos ajudarão a refinar nossos filmes

de todo o Universo e da galáxia inteira.

Os físicos também estão fazendo
experimentos novos e mais sensíveis

para tentar capturar algum sinal
de matéria escura em seus laboratórios.

Essa matéria ainda é um grande mistério.

Mas esse é um momento muito empolgante
para se trabalhar com isso.

Temos claras evidências de sua existência.

E isso vai da escala das menores galáxias

até a escala do Universo inteiro.

Nós de fato a encontraremos
e descobriremos o que ela é?

Eu não tenho ideia.

Mas será bem divertido descobrir.

Temos muitas possibilidades de descoberta,

e definitivamente aprenderemos mais
sobre o que ela está fazendo

e sobre o que não está.

Independentemente de encontrarmos
essa partícula em breve,

espero tê-los convencido

de que esse mistério está
muito mais próximo do que parece.

A procura pela matéria escura

pode ser a grande chave
para toda uma nova compreensão da física

e do nosso lugar no Universo.

Obrigada.

(Aplausos)