1 - https://www.youtube.com/watch?v=LK0EdB2IbiE
A incrível busca pelo mistério da matéria escura
Simulação de aglomerado de galáxias do IllustrisTNG – https://www.tng-project.org Diagrama de Venn da Matéria Escura por Tim Tait – https://ve42.co/venn Imagem do Bullet Cluster pelos telescópios Magellan, Hubble e Chandra – https://ve42.co/BC2 Animação do Bullet Cluster por Andrew Robertson / Institute for Computational Cosmology / Durham University – https://ve42.co/BC3
0:00
Estou em uma mina de ouro há algumas
0:02
horas de Melbourne. A 1 kilômetro de
0:05
profundidade, eles instalam um detector
0:07
para buscar matéria escura. Vamos lá.
0:12
Vai levar 30 minutos para descer 1 km
0:15
abaixo da Terra. Acredita-se que a
0:17
matéria escura compõe 85%
0:20
de toda a matéria existente. Ela pode
0:23
formar um universo sombrio, cinco vezes
0:26
mais massivo do que tudo o que podemos
0:28
ver. Nas últimas décadas, mais de 50
0:31
experimentos tentaram fazer uma detecção
0:33
direta da matéria escura, mas nenhum
0:36
deles encontrou nada, exceto um.
0:42
Sob uma montanha nos Alpes italianos, há
0:45
um detector de matéria escura chamado
0:47
dama libra. Ele vem coletando dados h
0:50
cerca de 20 anos e todo ano observa os
0:53
mesmos resultados peculiares.
0:56
A taxa de detecções aumenta até atingir
0:58
um pico em junho e depois diminui até um
1:01
mínimo em novembro. Alguns cientistas
1:04
acham que isso pode ser a primeira
1:06
evidência direta da matéria escura. Mas
1:09
por que a matéria escura criaria um
1:11
sinal anual periódico? Bem, esta é a
Sinais e hipóteses do Dama-Libra
1:15
nossa galáxia, ou pelo menos como ela se
1:17
parece com a luz visível. Os astrônomos
1:20
suspeitam que ela é cercada e permeada
1:22
por uma enorme esfera de matéria escura,
1:25
partículas invisíveis que estão se
1:27
movendo em todas as direções aleatórias.
1:31
De acordo com a maioria das teorias, a
1:33
matéria escura não interage com nada,
1:35
nem mesmo consigo mesma, exceto através
1:38
da gravidade. Acreditamos que deve haver
1:41
cinco vezes mais matéria escura do que
1:44
matéria comum.
1:46
[Música]
1:50
Agora, nosso sistema solar viaja pela
1:53
galáxia a 220 km por segundo, movendo-se
1:57
também pela matéria escura, enquanto a
2:00
Terra orbita o Sol a 30 km/s
2:03
durante metade do ano, nos movemos junto
2:06
com o Sol, atravessando a matéria escura
2:08
mais rápido. Na outra metade seguimos na
2:11
direção oposta, então passando mais
2:13
devagar pela matéria escura. E a ideia é
2:16
que encontramos mais matéria escura
2:18
quando estamos nos movendo mais rápido
2:20
por ela, o que acontece em junho, e
2:23
menos quando estamos mais devagar, o que
2:25
acontece em novembro. A geometria real é
2:28
um pouco mais complicada. O sistema
2:30
solar está inclinado a 60º em relação ao
2:34
plano da galáxia, mas a ideia ainda
2:36
funciona. Então, o sinal observado no
2:40
dama libra pode ser devido a esse
2:42
movimento através da matéria escura. Ou
2:45
pode não ser devido à matéria escura.
2:47
Pode ser apenas algo mundano, como a
2:50
temperatura, aumidade, a humidade do
2:53
solo, a neve na montanha ou o número de
2:56
turistas na Itália. Todas essas coisas
2:59
variam com um período de um ano. Por
3:02
isso, eles vão construir um experimento
3:04
quase igual no hemisfério sul, no fundo
3:07
de uma mina de ouro, perto de Melbourne,
3:09
porque lá as estações do ano são
3:11
invertidas. Mas o nosso movimento
3:13
através da matéria escura continua o
3:15
mesmo. Então, se virmos o mesmo sinal, é
3:18
uma evidência bastante forte da
3:20
existência da matéria escura.
História e descoberta da matéria escura
3:22
Um dos principais problemas do dama
3:24
Libra é que outros experimentos
3:25
semelhantes não detectam nada. Isso
3:28
levou, sabe, a muita incerteza sobre se
3:31
o sinal do Dama Libra é realmente
3:33
matéria escura. Então, é, sabe, a gente
3:37
não sabe, né, a coisa favorita na
3:38
ciência.
3:40
Mas por que acreditamos na existência da
3:42
matéria escura? Em 1933,
3:46
o astrônomo suíço Fritz Swicky estava
3:49
estudando o aglomerado de Coma, um
3:51
conjunto de mais de 1000 galáxias. Essas
3:54
galáxias estão gravitacionalmente
3:56
ligadas, então todas orbitam em torno do
3:58
seu centro de massa coletivo. Zuik mediu
4:01
as velocidades orbitais das galáxias e
4:04
descobriu que algumas se moviam muito
4:06
mais rápido do que esperava. Era como se
4:08
houvesse muito mais matéria no
4:10
aglomerado do que ele podia ver, puxando
4:13
tudo para dentro. Então ele propôs a
4:16
existência de matéria invisível, que ele
4:19
chamou de Dunkle Materie, a origem do
4:21
termo matéria escura. Ninguém realmente
4:24
levou essa ideia a sério, mas 40 anos
4:27
depois a matéria escura apareceu
4:29
novamente. Vera Rubin e Kent Ford
4:32
estudaram o movimento das estrelas na
4:33
galáxia Andrômeda. Eles esperavam que
4:36
quanto mais longe do centro, mais
4:39
devagar as estrelas orbitariam, mas não
4:42
foi o que encontraram. A velocidade de
4:44
rotação permanece quase constante, mesmo
4:47
com o aumento da distância do centro,
4:50
sem massa adicional na galáxia para
4:52
atrair essas estrelas, elas precisariam
4:55
ser lançadas ao espaço. O mesmo ocorreu
4:58
em outras galáxias. Usando
5:00
radiotelescópios, Albert Bosma e outros
5:03
mediram o gás hidrogênio ainda mais
5:05
distante do centro de uma galáxia, mas a
5:07
velocidade de rotação continuou
5:09
constante. Uma maneira de explicar isso
5:12
é supor a existência de matéria que não
5:14
podemos ver, a matéria escura que mantém
5:18
todas essas galáxias unidas.
5:22
Então, vamos supor que você tem uma
5:24
estrela e isso representa a massa de
5:26
tudo que está no centro da galáxia
5:28
puxando a estrela para dentro. A estrela
Rotação galáctica e alternativas à matéria escura
5:31
pode manter uma órbita estável se sua
5:33
força centrípeta for igual à atração
5:36
gravitacional de toda a massa do
5:39
restante da galáxia. Assim, é possível
5:42
ver que a cerca de 1 m essa é a
5:44
velocidade da órbita. OK? Mas o que
5:47
acontece se adicionarmos um pouco de
5:49
matéria escura? Então esta garrafa de
5:52
água representa a matéria que não
5:54
podemos ver. Agora tem mais massa
5:57
puxando essa estrela pro centro, o que
6:01
significa que na mesma órbita ela agora
6:03
pode ir muito mais rápido. E na verdade
6:06
ela precisa ir mais rápido para manter
6:09
essa órbita. E isso explica na
6:11
observação. É isso que vemos.
6:17
Ao analisar as rotações das estrelas. Os
6:20
cientistas estimam que cerca de 85%
6:23
da massa de uma galáxia é matéria
6:26
escura. Mas há outra maneira de explicar
6:28
essas observações sem recorrer à matéria
6:31
escura, que é modificar nossa teoria da
6:34
gravidade. Quais são as evidências que
6:36
apoiam a ideia de que a hipótese das
6:38
partículas está totalmente equivocada e
6:41
que, na verdade, deveríamos considerar
6:43
uma teoria revisada da gravidade.
6:46
Você pode invocar algo invisível ou
6:48
simplesmente dizer que o universo é o
6:50
que conseguimos ver. E precisamos de uma
6:53
maneira de explicar o que está
6:54
acontecendo nisso. E a única forma de
6:56
fazer isso é modificando as leis da
6:58
física. Quando você observa as regiões
7:00
externas das galáxias, percebe que há
7:02
muita aceleração centrípeta. A matéria
7:05
escura afirma que a aceleração
7:07
centrípeta ocorre por seu efeito
7:09
gravitacional, enquanto alguns, como
7:11
Monde, dirão: "Isso é aceleração
7:13
centrípeta, apenas atingiu o limite e
7:16
não pode diminuir mais". Eles dizem que
7:18
não há força extra devido à matéria
7:21
escura, mas existe um limite para quão
7:23
baixa aceleração pode ser. Acho que o
7:26
consenso é amplamente a favor de ser uma
7:29
substância física. Nesse sentido, parece razoável
7:32
razoável que possa haver outras
7:34
partículas por aí que ainda não vimos.
7:38
E há mais evidências. Este é o
7:40
aglomerado Bala, um local onde dois
7:43
aglomerados de galáxias colidiram. A
7:45
maior parte da massa comum desses
7:47
aglomerados está no gás interestelar. E
7:51
quando a colisão ocorreu, o gás
7:53
interestelar interagiu, aqueceu e
7:56
desacelerou. Então você esperaria que a
7:58
maior parte da massa do aglomerado bala
8:00
estivesse no meio onde todo esse gás
8:03
está. Usando a lente gravitacional, que
8:06
mostra como a gravidade desvia a luz, é
8:08
possível medir onde está a maior parte
8:11
da massa na imagem. E não está no meio,
8:14
na verdade está em ambos os lados. A
8:17
melhor forma de explicar é que ao
8:19
colidirem os aglomerados deixaram todo o
8:21
gás preso no meio, mas a matéria escura
8:24
passou direto, criando a maior lente
8:27
gravitacional, onde podemos ver a menor
8:30
quantidade de matéria comum.
8:33
Ainda mais evidências para a matéria
8:35
escura vem da luz mais antiga do
8:37
universo. 380.000 1 anos após o Big
8:41
Bang, a luz finalmente poôde viajar pelo
8:43
universo sem impedimentos. E isso é o
8:46
que vemos como a radiação cósmica de
8:48
fundo em microondas ou CMB.
8:51
Os pontos vermelhos indicam regiões mais
8:53
quentes do universo primitivo e os azuis
8:56
regiões mais frias. Essas diferenças de
8:58
temperatura eram muito pequenas, só
9:01
0,1%.
9:03
Mas elas estão lá. E você pode
9:05
transformar essa imagem em um gráfico,
9:08
contando quantos aglomerados existem de
9:10
tamanhos diferentes. Então, existe o
9:13
tamanho de aglomerado mais comum, que
9:15
resulta nesse pico, mas também há outros
9:18
aglomerados de tamanhos comuns. Assim,
9:20
você tem outros picos menores. Agora, a
9:23
altura desses picos depende da
9:25
quantidade de matéria escura. Em um
9:27
universo sem ela, o gráfico fica assim.
9:30
Mas à medida que a matéria escura
9:32
aumenta, as amplitudes dos picos de
9:35
número par diminuem. Para corresponder
9:38
às medições da CMB, precisamos de cerca
9:40
de cinco vezes mais matéria escura que
9:43
comum. Esse valor também está de acordo
9:45
com a quantidade de matéria escura
9:48
necessária para explicar o movimento das
9:50
estrelas nas galáxias e o movimento das
9:52
galáxias nos aglomerados. Então, a
9:56
hipótese da matéria escura explica
9:57
muitas observações diferentes com uma
9:59
estrutura teórica simples, que existe
Como funcionam os detectores de matéria escura
10:02
algum tipo de partícula por aí que só
10:04
interage através da gravidade. Mas o que
10:07
que exatamente é essa partícula? Bem,
10:10
como não sabemos, os cientistas
10:12
propuseram várias coisas diferentes que
10:15
ela poderia ser e agora temos que tentar
10:17
encontrá-las.
10:19
A abordagem varia dependendo do que você
10:21
está tentando encontrar. Dama Libra e o
10:24
detector da mina de ouro buscam wimps,
10:27
partículas massivas que interagem
10:29
fracamente.
10:30
Espera-se que essas partículas tenham
10:32
aproximadamente a mesma massa de um
10:34
próton, mas interajam com a matéria
10:37
comum de forma extremamente fraca.
10:42
No centro do detector há sete cristais
10:44
de iodeto de sódio puro, cada um com 7
10:47
kg. Então aquilo é mesmo iodeto de
10:49
sódio.
10:50
É. Não achei que seria tão transparente.
10:53
A ideia é que muito raramente uma
10:55
partícula de matéria escura atinja um
10:58
núcleo no cristal e transfira sua
11:00
energia. Isso gera um clarão chamado
11:03
cintilação, detectado por tubos
11:05
fotomultiplicadores,
11:07
sensores de luz sensíveis posicionados
11:10
acima e abaixo de cada cristal. Mas há
11:13
um problema mesmo. O cristal de iodeto
11:16
de sódio mais puro contém potássio
11:18
radioativo. E quando um átomo de
11:20
potássio decai, ele libera um elétron e
11:23
um raio gama. O elétron pode causar
11:26
cintilação no cristal, assim como a
11:28
partícula hipotética de matéria escura.
11:31
Então, para eliminar esses eventos, os
11:33
cristais de iodeto de sódio são
11:35
submersos em um tanque cheio de 12
11:37
toneladas de alquil benzeno linear. Esse
11:41
é um cintilador líquido que emite luz
11:44
quando exposto a um raio gama. E essa
11:46
luz pode então ser detectada por tubos
11:49
fotomultiplicadores no tanque. Então, se
11:52
houver uma detecção simultânea no
11:54
cristal e no tanque, provavelmente foi
11:56
um decaimento de potássio, não um evento
11:58
de matéria escura. Mas há outro
Desafios e soluções dos experimentos subterrâneos
12:01
problema. Raios cósmicos, partículas
12:04
energéticas do Sol e de outras galáxias
12:07
atingem o topo da atmosfera da Terra,
12:09
criando muons, que são basicamente
12:11
elétrons pesados, que descem direção à
12:14
Terra quase na velocidade da luz. Os
12:17
muons também podem criar flashes de luz
12:20
no cristal. Este é um detector de moons
12:23
e ele tem essas três placas de plástico
12:26
aqui separadas por algumas peças de aço.
12:30
Se virmos um flash de luz nas três
12:32
praticamente ao mesmo tempo, então
12:35
sabemos que um mon passou por elas.
12:37
Então se eu apertar resetar, podemos ver
12:40
a contagem dos mons sendo detectados.
12:43
Então são pelo menos alguns por segundo.
12:46
Por isso, todos os detectores de
12:48
partículas sensíveis ficam no subsolo.
12:51
Aqui temos o detector de muons agora a 1
12:54
km de profundidade.
12:57
Ele está funcionando a cerca de 15
12:59
minutos e não houve nenhuma contagem de
13:01
Moons.
13:04
Zen, precisaríamos deixar funcionando
13:06
por muito tempo mesmo para obter só um
13:08
registro. Esperamos que haja cerca de 1
13:10
milhão de mon a menos aqui embaixo. Como
13:12
não vimos 1 milhão lá em cima,
13:14
provavelmente também não veremos nenhum
13:16
aqui. E esse é exatamente o objetivo de
13:18
colocar um detector de matéria escura no
13:20
subsolo. Você quer eliminar todo o fundo
13:23
que criaria ruído no detector, mas nem
13:26
mesmo essa blindagem é suficiente.
13:28
Detectores de muons ficarão logo acima
13:30
do tanque. Se um clarão aparecer em um
13:33
cristal junto com a detecção de um mu,
13:36
ele será descartado.
13:39
O subsolo tem seus desafios. As paredes
13:42
da mina contém pequenas quantidades de
13:44
elementos radioativos, como urânio e
13:46
tório, que se decompõem em gás radônio.
13:49
Os requisitos aqui são bastante
13:51
rigorosos. Para experimentos com matéria
13:53
escura, precisamos controlar
13:54
completamente o ambiente, em especial o
13:56
nível de radônio. Para combater isso, as
13:58
paredes da caverna são revestidas com
14:00
uma tinta especial para conter
14:02
partículas radioativas. Os cristais são
14:04
imersos em um fluxo contínuo de gás
14:07
nitrogênio puro e todo o detector é
14:10
protegido por 120 toneladas de aço e
14:13
plástico. Uau! Olha o tamanho dessa
Reflexões finais e possibilidades futuras
14:16
caverna.
14:18
Há muito em jogo nesse experimento. Isso
14:21
vai validar ou refutar um dos resultados
14:24
mais controversos da física. Então, se
14:27
não virmos nada, bem, esse é o fim do
14:29
dama Libra. Mas se virmos alguma coisa
14:31
bem, todos nós ficaremos felizes.
14:34
Gosto da ideia de que, já que 80% da
14:37
massa do universo é matéria escura,
14:39
talvez haja mais de uma partícula
14:41
compondo essa matéria. Pode ser um
14:43
modelo totalmente escuro ou uma versão
14:45
escura de tudo ou algo mais complexo,
14:48
como há muito mais. Espero que seja
14:49
isso.
14:51
Você acha que a matéria escura interage
14:53
com a matéria comum? Para descobrir o
14:55
que é isso, é melhor esperar por algum
14:58
tipo de interação que possamos
14:59
investigar em experimentos. Se Deus me
15:02
desse o grande livro da física e
15:04
houvesse duas sessões, sessão A e sessão
15:07
B, uma para a matéria luminosa e outra
15:10
para a matéria escura, se não se
15:12
comunicassem, eu diria que seria um
15:14
universo bem peculiar. Mas na ciência
15:16
temos que conviver com a possibilidade
15:18
de que, sabe, em algum nível, talvez
15:20
nunca encontremos a resposta. Ela pode
15:22
nos iludir, mas pelo menos tentamos.
- O que é: A rapidez com que um objeto gira ou percorre um arco angular.
- Unidade: Radianos por segundo (rad/s).
- Cálculo:
- O que é: A velocidade linear de um ponto na borda do objeto giratório, sempre tangente à trajetória.
- Unidade: Metros por segundo (m/s).
- Cálculo:
- Fórmula principal:
- Interpretação: Para a mesma velocidade angular (ex: um disco girando), um ponto mais distante do centro (maior raio 'r') terá uma velocidade tangencial maior, pois precisa percorrer uma distância maior no mesmo tempo angular.
Comentários
Postar um comentário