Problemas atuais da Cosmologia

Na década de 80, os astrônomos observaram um fato bastante estranho ao estudar as curvas de rotação das galáxias espirais. A Figura 6 mostra as curvas de velocidade de rotação devidas ao disco, gás e halo de uma galáxia espiral típica. Devido à grande diferença observada entre a curva da galáxia e a curva do disco, foi levantada a hipótese que o halo continha muito mais matéria do que o imaginado e que essa matéria somente sofria a ação da gravidade, não emitindo nenhum tipo de radiação eletromagnética. Daí o nome "matéria escura". Podemos mostrar a curva de rotação de uma galáxia espiral deve variar em função da posição do elemento de massa com a distância até o centro. A relação entre a energia potencial gravitacional e a energia cinética de um elemento de matéria a uma distância r do centro da Galáxia, de acordo com a 2ª lei de Newton, é dada por

e determinando uma relação para a massa contida dentro de uma esfera de raio R, obtemos:

o que sugere que, a velocidade deve aumentar proporcionalmente à massa e, fora dos limites do objeto, cair rapidamente a zero. A Figura 6 nos mostra algo completamente diferente. A curva combinada deveria decair como a curva do disco, caso a matéria do halo fosse desprezível em relação à massa do disco. Entretanto, nota-se claramente que a velocidade do halo também cresce e, para raios maiores que os raios determinados por meio de observações ópticas, tende à velocidade de toda a Galáxia. As estimativas dinâmicas (via leis de Newton) dessa matéria não-luminosa ("escura") indicam que ela é quase 10 vezes maior que a quantidade de matéria comum (bariônica).

Pode-se argumentar que também existe matéria escura bariônica: anãs negras, nuvens moleculares frias ("escuras") e outros objetos que não emitem luz visível. A resposta é que sempre será possível tentar medir esses objetos feitos de bárions por meio da emissão infravermelho ou rádio. A matéria não-bariônica, porém, somente pode ser percebida através de efeitos gravitacionais pois não emite radiação eletromagnética. Para ela existem diversos candidatos, entre eles o neutrino, que é o mais conhecido. Veremos que a matéria escura é responsável por algo da ordem de 30% de toda a densidade do Universo e concluímos então que, mesmo falando somente de matéria, somos constituídos de matéria que é a exceção do que existe no Universo.

Figure: Curva de velocidade radial de galáxia espiral. Note que a curva com os pontos é a combinação das curvas de disco, gás e halo e esperava-se que ela decrescesse para raios maiores que 20 ou 30 kpc.

A energia escura é uma grandeza ainda mais complicada de ser definida, porque simplesmente não sabemos o que ela é ou como medi-la. Pode-se dar a ela diversos significados, todos mais ou menos relacionados com a chamada constante cosmológica, introduzida por Einstein nas suas equações da Relatividade Geral. Em 1929, Hubble mostrou que o Universo estava em expansão e a constante colocada por Einstein saiu de moda. Recentemente a descoberta que o Universo encontra-se numa expansão acelerada trouxe novamente à discussão a idéia de uma constante cosmológica que exerce pressão negativa e faz com que a gravidade não seja a única força a dominar o mecanismo de expansão.

Isso nos permite concluir que o Universo possui uma geometria praticamente Euclidiana em grandes escalas, com 96% de sua composição química desconhecida. Com relação ao mecanismo de expansão, a presença da energia escura faz com que o Universo, apesar de plano e com densidade de matéria menor que a densidade crítica, possui sofra uma aceleração no processo de expansão. Assim, em termos dinâmicos, podemos dizer que o Universo atual tem cerca de 14 bilhões de anos, é plano e tem a expansão gradualmente acelerada pela energia escura.

Carlos Alexandre Wuensche - Criado em 2005-06-02