Como a matéria escura pode ser medida no Sistema Solar

 Caros Leitores;

Na concepção deste artista, a espaçonave Voyager 1 da NASA tem uma visão panorâmica do sistema solar. Os círculos representam as órbitas dos principais planetas externos: Júpiter, Saturno, Urano e Netuno. Lançada em 1977, a Voyager 1 visitou os planetas Júpiter e Saturno. A espaçonave está agora a mais de 14 bilhões de milhas da Terra, tornando-se o objeto feito pelo homem mais distante já construído. Na verdade, a Voyager 1 agora está se aproximando do espaço interestelar, a região entre as estrelas que está cheia de gás, poeira e material reciclado de estrelas moribundas. Crédito: NASA, ESA e G. Bacon (STScI)

Imagens da Via Láctea mostram bilhões de estrelas dispostas em um padrão espiral irradiando do centro, com gás iluminado no meio. Mas nossos olhos só podem vislumbrar a superfície do que mantém nossa Galáxia unida. Cerca de 95 por cento da massa da nossa Galáxia é invisível e não interage com a luz. É feito de uma substância misteriosa chamada matéria escura, que nunca foi medida diretamente.

Agora, um novo estudo calcula como a gravidade da matéria escura afeta objetos em nosso Sistema Solar, incluindo naves espaciais e cometas distantes. Também propõe uma maneira pela qual a influência da matéria escura pode ser observada diretamente com um experimento futuro. O artigo foi publicado no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

“Estamos prevendo que, se você for longe o suficiente no sistema solar, terá a oportunidade de começar a medir a força da matéria escura”, disse Jim Green, coautor do estudo e consultor do Escritório do Cientista-Chefe da NASA. "Esta é a primeira ideia de como fazer e onde faríamos".

Matéria escura em nosso quintal

Aqui na Terra, a gravidade do nosso Planeta nos impede de voar para fora de nossas cadeiras, e a gravidade do Sol mantém nosso planeta orbitando em um cronograma de 365 dias. Mas quanto mais longe do Sol uma nave espacial voa, menos sente a gravidade do Sol e mais sente uma fonte diferente de gravidade: a da matéria do resto da Galáxia, que é principalmente matéria escura. A massa dos 100 bilhões de estrelas da nossa galáxia é minúscula em comparação com as estimativas do conteúdo de matéria escura da Via Láctea.

Para entender a influência da matéria escura no Sistema Solar, o principal autor do estudo, Edward Belbruno, calculou a “força galáctica”, a força gravitacional geral da matéria normal combinada com a matéria escura de toda a Galáxia. Ele descobriu que no Sistema Solar, cerca de 45 por cento dessa força é da matéria escura e 55 por cento é da normal, chamada "matéria bariônica". Isso sugere uma divisão aproximadamente meio a meio entre a massa da matéria escura e a matéria normal no Sistema Solar.

"Fiquei um pouco surpreso com a contribuição relativamente pequena da força galáctica devido à matéria escura sentida em nosso sistema solar em comparação com a força devido à matéria normal", disse Belbruno, matemático e astrofísico da Universidade de Princeton e da Universidade Yeshiva. "Isso é explicado pelo fato de que a maior parte da matéria escura está nas partes externas da nossa Galáxia, longe do nosso Sistema Solar".

Uma grande região chamada "halo" de matéria escura circunda a Via Láctea e representa a maior concentração de matéria escura da galáxia. Há pouca ou nenhuma matéria normal no halo. Se o Sistema Solar estivesse localizado a uma distância maior do centro da galáxia, sentiria os efeitos de uma proporção maior de matéria escura na força galáctica porque estaria mais perto do halo de matéria escura, disseram os autores.

Como a matéria escura pode influenciar as naves espaciais

Green e Belbruno prevêem que a gravidade da matéria escura interage levemente com todas as naves espaciais que a NASA enviou em caminhos que levam para fora do Sistema Solar, de acordo com o novo estudo.

“Se as espaçonaves se moverem pela matéria escura por tempo suficiente, suas trajetórias serão alteradas, e isso é importante levar em consideração para o planejamento de certas missões futuras”, disse Belbruno.

Essas naves espaciais podem incluir as sondas aposentadas Pioneer 10 e 11 lançadas em 1972 e 1973, respectivamente; as sondas Voyager 1 e 2 que exploram há mais de 40 anos e entraram no espaço interestelar; e a espaçonave New Horizons que voou por Plutão e Arrokoth no Cinturão de Kuiper.

Mas é um efeito minúsculo. Depois de viajar bilhões de quilômetros, o caminho de uma espaçonave como a Pioneer 10 se desviaria apenas cerca de 1,6 metros devido à influência da matéria escura. “Eles sentem o efeito da matéria escura, mas é tão pequeno que não podemos medi-lo”, disse Green.

Duas vistas do Hubble do maciço aglomerado de galáxias Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652) são mostradas. À esquerda está a visão em luz visível com estranhos arcos azuis aparecendo entre as galáxias amareladas. Estas são as imagens ampliadas e distorcidas de galáxias localizadas muito atrás do aglomerado. Sua luz é dobrada e amplificada pela imensa gravidade do aglomerado em um processo chamado lente gravitacional. À direita, um sombreamento azul foi adicionado para indicar a localização do material invisível chamado matéria escura que é matematicamente necessária para explicar a natureza e a localização das galáxias com lentes gravitacionais que são vistas. Crédito: NASA, ESA, MJ Jee e H. Ford (Universidade Johns Hopkins

Onde a força galáctica assume o controle?

A uma certa distância do Sol, a força galáctica torna-se mais poderosa do que a atração do Sol, que é feito de matéria normal. Belbruno e Green calcularam que essa transição ocorre em torno de 30.000 unidades astronômicas, ou 30.000 vezes a distância da Terra ao Sol. Isso está muito além da distância de Plutão, mas ainda dentro da Nuvem de Oort, um enxame de milhões de cometas que circunda o Sistema Solar e se estende por 100.000 unidades astronômicas.

Isso significa que a gravidade da matéria escura pode ter desempenhado um papel na trajetória de objetos como "Oumuamua, o cometa ou asteroide em forma de charuto que veio de outro Sistema Estelar e passou pelo Sistema Solar interno em 2017. Sua velocidade incomumente rápida pode ser explicada pela gravidade da matéria escura empurrando-o por milhões de anos, dizem os autores.

Se houver um planeta gigante nos confins do Sistema Solar, um objeto hipotético chamado Planeta 9 ou Planeta X que os cientistas têm procurado nos últimos anos, a matéria escura também influenciaria sua órbita. Se este planeta existir, a matéria escura talvez possa até afastá-lo da área onde os cientistas estão atualmente procurando por ele, escrevem Green e Belbruno. A matéria escura também pode ter feito com que alguns dos cometas da Nuvem de Oort escapassem completamente da órbita do Sol.

A gravidade da matéria escura poderia ser medida?

Para medir os efeitos da matéria escura no Sistema Solar, uma espaçonave não precisaria necessariamente viajar tão longe. A uma distância de 100 unidades astronômicas, uma espaçonave com o experimento certo pode ajudar os astrônomos a medir diretamente a influência da matéria escura, disseram Green e Belbruno.

Especificamente, uma espaçonave equipada com energia de radioisótopos, uma tecnologia que permitiu que a Pioneer 10 e 11, as Voyagers e a New Horizon voassem muito longe do Sol, pode ser capaz de fazer essa medição. Essa espaçonave poderia carregar uma bola refletiva e soltá-la a uma distância apropriada. A bola sentiria apenas forças galácticas, enquanto a espaçonave experimentaria uma força térmica do elemento radioativo em decomposição em seu sistema de energia, além das forças galácticas. Subtraindo a força térmica, os pesquisadores puderam observar como a força galáctica se relaciona com os desvios nas respectivas trajetórias da bola e da espaçonave. Esses desvios seriam medidos com um laser à medida que os dois objetos voassem paralelos um ao outro.

Um conceito de missão proposto chamado Interstellar Probe, que visa viajar para cerca de 500 unidades astronômicas do Sol para explorar esse ambiente desconhecido, é uma possibilidade para tal experimento.

Mais sobre matéria escura

A matéria escura como uma massa oculta nas galáxias foi proposta pela primeira vez na década de 1930 por Fritz Zwicky. Mas a ideia permaneceu controversa até os anos 1960 e 1970, quando Vera C. Rubin e colegas confirmaram que os movimentos das estrelas em torno de seus centros galácticos não seguiriam as leis da física se apenas matéria normal estivesse envolvida. Apenas uma gigantesca fonte oculta de massa pode explicar por que as estrelas nos arredores de galáxias espirais como a nossa se movem tão rapidamente.

Hoje, a natureza da matéria escura é um dos maiores mistérios de toda a astrofísica. Observatórios poderosos como o Telescópio Espacial Hubble e o Observatório de Raios-X Chandra ajudaram os cientistas a começar a entender a influência e a distribuição da matéria escura no universo em geral. O Hubble explorou muitas galáxias cuja matéria escura contribui para um efeito chamado "lente", onde a gravidade dobra o próprio espaço e amplia imagens de galáxias mais distantes.

Os astrônomos aprenderão mais sobre a matéria escura no cosmos com o mais novo conjunto de telescópios de última geração. O Telescópio Espacial James Webb da NASA, lançado em 25 de dezembro de 2021, contribuirá para a nossa compreensão da matéria escura, tirando imagens e outros dados de galáxias e observando seus efeitos de lente. O Telescópio Espacial Romano Nancy Grace da NASA, lançado previsto em meados da década de 2020, realizará pesquisas de mais de um bilhão de galáxias para observar a influência da matéria escura em suas formas e distribuições.

A próxima missão Euclid da Agência Espacial Europeia, que tem uma contribuição da NASA, também terá como alvo a matéria escura e a energia escura, olhando para trás no tempo cerca de 10 bilhões de anos para um período em que a energia escura começou a acelerar a expansão do Universo. E o Observatório Vera C. Rubin, uma colaboração da National Science Foundation, do Departamento de Energia e outros, que está em construção no Chile, acrescentará dados valiosos a esse quebra-cabeça da verdadeira essência da matéria escura.

Mas essas ferramentas poderosas são projetadas para procurar os fortes efeitos da matéria escura em grandes distâncias e muito mais longe do que em nosso sistema solar , onde a influência da matéria escura é muito mais fraca.

"Se você pudesse enviar uma espaçonave para detectá-lo, seria uma grande descoberta", disse Belbruno.

Explorar mais

Físico procura entender a matéria escura com o Telescópio Webb

Mais informações: Edward Belbruno et al, Ao sair do sistema Solar: A matéria escura faz a diferença, Avisos mensais da Royal Astronomical Society (2022). DOI: 10.1093/mnras/stab3781

Informações do jornal: Avisos Mensais da Royal Astronomical Society

Fornecido pela NASA

Fonte: Phys News / por Elizabeth Landau, NASA  / 09-02-2022

https://phys.org/news/2022-02-dark-solar.html   

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Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.

Acompanha e divulga os conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration), ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.

Participa do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.

Participa também do projeto The Globe Program / NASA Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.

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