Estudando a matéria escura, a substância mais misteriosa do universo

Talvez a maior questão da astronomia neste momento seja aquela que parece simples: de que é feito o universo? Sabemos sobre prótons, nêutrons e elétrons, e sabemos que essas partículas se combinam para criar o universo que observamos: estrelas, planetas, cometas e buracos negros.

Mas tudo isso é apenas uma pequena fração do que existe. A matéria comum, o que os astrônomos chamam de matéria bariônica, é minoria quando olhamos para o nosso universo como um todo. Na verdade, o universo é dominado pela matéria escura e pela energia escura, duas coisas misteriosas que nunca detectamos diretamente.

Para investigar este mais estranho dos enigmas, a Agência Espacial Europeia (ESA) está construindo o espaço Euclides telescópio, um projeto de ponta para investigar a matéria escura e a energia escura que será lançado em 2022.

Para saber mais sobre como construir uma ferramenta para procurar algo invisível, conversamos com René Laureijs, cientista do projeto Euclid.

Vendo apenas os efeitos

Tanto a matéria escura como a energia escura são construções teóricas, na medida em que temos boas razões para acreditar que elas existem, embora nenhuma delas tenha sido detectada diretamente. Em vez disso, sabemos que eles devem estar lá porque vemos os seus efeitos no universo.

“A matéria escura é algo que você vê apenas os efeitos”, explicou Laureijs. “Então você vê algo se movendo ou coisas se atraindo e não sabe o que está causando isso. Vemos também na astronomia que as coisas são atraídas, ou que as coisas se movem, e olhando para o que se passa, não podemos explicar estes movimentos pela presença de matéria comum.”

Esta atração só é realmente perceptível em escalas muito grandes, observando objetos do tamanho de galáxias. No início, os astrónomos pensaram que talvez houvesse algo errado com a sua descrição da gravidade, e foi por isso que ela parecia diferente nas escalas astronómicas. Mas agora estão amplamente convencidos de que é uma partícula que causa estes efeitos, embora a detecção da partícula em si seja um desafio constante. “Nunca vimos isso, mas vemos evidências indiretas de algo que se comporta como matéria, mas não pode ser visto. E é isso que chamamos de matéria escura”, disse Laureijs.

E então há a energia escura. É semelhante à matéria escura no sentido de que é uma construção usada para explicar observações inesperadas sobre o universo. Mas é muito diferente porque os astrónomos pensam que pode ser uma forma de energia, e não uma partícula. É usado para explicar a expansão do universo. Sabemos que o Universo está a expandir-se, mas as observações feitas na década de 1990 a partir de novas ferramentas como o Telescópio Espacial Hubble chocaram os astrónomos ao mostrar que a taxa de expansão estava a acelerar.

“É um efeito muito subtil, mas ao medir com precisão as distâncias a galáxias distantes, as pessoas conseguiram descobri há 20 anos que o universo não está apenas se expandindo, mas se expandindo de forma acelerada.” Laureijs explicou. “Isso significa que há uma energia extra empurrando as galáxias para fora, e acontece que esta aceleração começou a meio da idade do Universo, há cerca de 6 mil milhões de anos. Isso é realmente um enigma, por que isso aconteceu. Portanto, há uma força extra agindo contra a gravidade, empurrando todas as galáxias para fora de forma acelerada, e é isso que chamamos de energia escura.”

O que é realmente notável sobre a matéria escura e a energia escura é a sua prevalência. Ao considerar o componente energético total do universo, estimativas atuais mostram que cerca de 68% do universo é energia escura, enquanto 27% é matéria escura. Toda a matéria normal que vemos à nossa volta – cada estrela, cada planeta, cada molécula de gás – representa apenas 5% de tudo o que existe.

Portanto, há 95% do universo que mal entendemos. “Este é o maior quebra-cabeça que temos neste momento na física e na astronomia”, disse Laureijs. “Como astrônomo, é realmente ótimo estar neste momento, para trabalhar neste problema.”

Como caçar o invisível

O método tradicional para procurar energia escura tem sido medir a expansão do universo através da observação de supernovas. Se uma supernova explodir numa galáxia distante, podemos monitorizar a energia que emite para estimar a que distância está – mas existem limitações para esta abordagem. Assim, nas últimas décadas, foram concebidos dois novos métodos para medir a expansão do Universo, e Euclides fará uso de ambos.

O primeiro método é observar a distribuição das galáxias em todo o universo. Os astrónomos observam a distância até uma galáxia e observam o seu desvio para o vermelho (o grau em que a luz dessa galáxia é deslocado para a extremidade vermelha do espectro), e a partir disso eles podem descobrir o quão rápido a galáxia está se afastando de nós.

O segundo método é observar o distribuição de matéria escura. Sabemos que a distribuição da matéria comum segue a distribuição da matéria escura, e há muito mais matéria escura do que matéria comum por aí. Os efeitos gravitacionais da matéria escura podem ser vistos através de uma técnica chamada lente gravitacional, na qual a massa da matéria escura desvia a luz ao seu redor.

É por isso que Euclides está à procura tanto da matéria escura como da energia escura – porque aprender sobre uma também pode ensinar-nos sobre a outra.

Um nível incrível de precisão

Para coletar os tipos de dados necessários para estudar a energia escura e a matéria escura, as ferramentas são conceitualmente relativamente simples. Euclides tem dois instrumentos principais: uma câmera/espectrômetro infravermelho e uma câmera óptica gigante.

O instrumento infravermelho possui vários filtros e prismas de grade que permitem medir o desvio para o vermelho de galáxias distantes, o que mostra o quão longe elas estão se afastando de nós. A câmera óptica é um mosaico de 36 sensores que proporcionam uma resolução total de mais de 600 megapixels, o que resulta em imagens extremamente nítidas, como uma versão muito mais precisa de uma câmera digital. E depois há o próprio telescópio com o seu espelho de 1,2 metros.

O desafio de construir o hardware é o nível incrivelmente alto de precisão necessário. As distorções que os cientistas procuram devido à presença de matéria escura e energia escura são tão pequenas que os instrumentos devem ser incrivelmente sensíveis, capazes de captar até as menores flutuações nas leituras. Mas isso significa que qualquer mudança no ambiente do próprio telescópio pode distorcer os dados de forma significativa. Mesmo algo tão pequeno como ligar a eletrônica do satélite será perceptível nas leituras realizadas.

“O telescópio foi construído de forma a ser extremamente estável e fornecer imagens muito nítidas”, disse Laureijs. “E tem um campo de visão muito grande. Se você juntar tudo – campo de visão estável, nítido e amplo – você obterá um design impossível! Então é muito difícil.”

Uma maneira pela qual a equipe aborda esse problema de projeto é colocar o telescópio no espaço, onde ficará em uma posição muito mais ambiente estável e pode capturar imagens quatro a cinco vezes mais nítidas do que a imagem mais nítida que poderia ser capturada de Terra. Mas ainda há o problema da luz solar, pois ajustar o satélite em relação ao Sol mudará a quantidade de calor que ele recebe. Mesmo uma mudança de alguns miliwatts de energia é suficiente para ser detectada pelos instrumentos.

O maior problema que os projetistas de telescópios enfrentam é a expansão. Quando os materiais aquecem, expandem-se e mesmo uma pequena flutuação na temperatura pode fazer com que partes do telescópio inchem e introduzam distorções nos dados.

Como resultado, a maioria dos componentes do Euclides é construída a partir de um material notável chamado carboneto de silício. Esta cerâmica possui um coeficiente de expansão extremamente baixo, o que significa que se expande muito pouco quando aquece. E porque é utilizado em todos os instrumentos, se se expandir, fá-lo de forma uniforme. Até as molduras dos sensores são feitas de carboneto de silício, assim como o espelho principal do telescópio. O espelho foi altamente polido com uma tolerância de alguns nanômetros, um processo que levou quase um ano.

Todo esse cuidado faz com que o satélite fique extremamente estável, e será capaz de capturar imagens nítidas e precisas.

Oferecendo algo à humanidade

Embora o estudo da matéria escura e da energia escura seja de grande importância para a física teórica, a caça também pode ter implicações práticas. Em primeiro lugar, o hardware concebido para projectos como o Euclid e as técnicas de medição desenvolvidas poderiam ser utilizados numa vasta gama de campos diferentes. Em segundo lugar, há a riqueza de dados que Euclid irá recolher.

“Com os nossos dados, não apenas medimos a energia escura e a matéria escura, mas também tiramos fotos de tudo o que vemos no céu nesses comprimentos de onda”, disse Laureijs. “Portanto, há muito mais astronomia nisso. E isso também é uma parte emocionante, porque oferecemos algo à humanidade, aos astrónomos, que é tão novo. Daqui a oito anos, poderemos ir ao site da ESA e ir a qualquer posição no céu e ver como era, com enorme resolução, até uma profundidade de 10 milhões de anos atrás.”

Porém, principalmente, a busca pela matéria escura e pela energia escura consiste em compreender como o nosso universo opera nos aspectos mais fundamentais. nível, e respondendo a uma pergunta que é totalmente desconcertante neste momento: “O que vemos ao nosso redor é apenas 5% do que existe em nosso universo. Os outros 95% são matéria escura e energia escura, algo que dificilmente podemos explicar”, disse Laureijs. “Esta é, para mim, a razão fundamental pela qual fazemos Euclides.”

É esta pergunta estranha e inexpiável sobre a composição do Universo que motiva os cientistas, engenheiros e astrónomos que trabalham com a matéria escura. Porque o que vemos ao nosso redor é apenas um arranhão na superfície do que existe no desconhecido.