Matéria escura: a massa em falta do universo, batizada em 1906

No modelo Lambda-CDM que os cosmólogos utilizam atualmente para descrever o universo, a matéria comum — os átomos que compõem estrelas, planetas e pessoas — totaliza apenas 5 por cento de tudo o que existe. A matéria escura, uma forma de massa que ninguém detetou diretamente, chega aos 26,8 por cento, mais de cinco vezes essa quantidade, sendo os restantes 68,2 por cento constituídos por energia escura, um mistério à parte que este artigo apenas aborda de passagem.

Ninguém isolou uma partícula de matéria escura, a fotografou ou explicou exatamente do que é feita. O que convenceu os cientistas de que ela existe foi cerca de um século de pistas indiretas: galáxias a girar mais depressa do que deveriam, enxames de galáxias com muito mais gravidade do que a sua matéria visível consegue fornecer, e luz que se curva em torno de concentrações de massa que não emitem luz própria. Este artigo percorre a origem de cada uma dessas pistas, pela ordem em que os astrónomos as descobriram.

O próprio termo é mais antigo do que a maior parte das provas a seu favor. Em 1906, o matemático e físico francês Henri Poincaré usou a expressão matière obscure — literalmente "matéria escura" — ao discutir uma estimativa anterior de Lord Kelvin, que tinha sugerido que muitas das inúmeras estrelas próximas do Sol poderiam ser corpos escuros, não luminosos, em vez de brilhantes. O ensaio de Poincaré surgiu décadas antes das medições de enxames de Fritz Zwicky ou dos estudos de galáxias de Vera Rubin: os astrónomos já tinham uma palavra para o mistério muito antes de terem provas dele.

Os primeiros dados concretos vieram de Vesto Slipher, que apontou um telescópio para a galáxia de Andrómeda em 1914 e fez o que foram as primeiras medições associadas àquilo que os astrónomos hoje chamam curva de rotação galáctica — a forma como a velocidade orbital varia com a distância ao centro de uma galáxia.

Slipher descobriu algo estranho: as estrelas de um lado do bojo central de Andrómeda aproximavam-se da Terra a cerca de 320 quilómetros por segundo, enquanto as estrelas do lado oposto se moviam a apenas cerca de 280 quilómetros por segundo. A discrepância não era, por si só, prova da matéria escura, mas foi um sinal precoce de que as galáxias espirais não giram da forma simples como um sistema solar, e lançou uma questão que levaria décadas a resolver devidamente.

Fritz Zwicky levou o enigma mais longe em 1933. O astrofísico suíço, a trabalhar no Caltech, estudou um enxame de galáxias e tentou pesá-lo de duas formas diferentes: uma somando a luz proveniente das galáxias que o compunham, e outra medindo a velocidade a que essas galáxias se moviam umas em torno das outras sob a gravidade do enxame. As duas respostas não coincidiam.

A estimativa de Zwicky baseada na velocidade resultou em cerca de 400 vezes mais massa do que as galáxias visíveis conseguiam explicar — uma diferença demasiado grande para ser explicada apenas com estrelas e gás comuns. Ele concluiu que a maior parte do material gravitante do enxame tinha de ser matéria escura, invisível, uma ideia que teve de esperar por instrumentos melhores antes de o resto da astronomia a levar a sério.

Vera Rubin deparou-se com um obstáculo antes sequer de se aproximar do enigma da rotação galáctica: simplesmente conseguir tempo de telescópio. Enquanto trabalhava na Carnegie Institution, candidatou-se em 1965 a tempo de observação no Observatório de Palomar, tornando-se a primeira astrónoma autorizada a observar ali.

Teve a oportunidade de resolver a questão maior uma década depois. Em conjunto com o astrónomo Kent Ford, Rubin apresentou os resultados à American Astronomical Society em 1975: em galáxias espirais, as estrelas perto da periferia movem-se a uma velocidade muito semelhante à das estrelas mais próximas do centro, independentemente da distância a que se encontram — o que significa que a massa da galáxia continua a aumentar bem para lá do ponto onde as estrelas visíveis terminam. É exatamente o tipo de massa extra e invisível que Zwicky tinha inferido a partir de enxames de galáxias, agora medida diretamente dentro de galáxias individuais.

A gravidade faz mais uma coisa útil: curva a luz. A matéria escura não pode ser fotografada diretamente, mas uma investigação publicada na Nature identifica as lentes gravitacionais como a forma mais eficaz de a detetar: a luz de galáxias distantes curva-se ao passar por concentrações de massa em primeiro plano. Como o efeito depende apenas da gravidade, afeta tanto a matéria escura como a matéria comum, o que faz dele uma das poucas ferramentas capazes de traçar onde se encontra realmente toda a massa do universo.

Esta técnica já produziu alguns mapas de massa detalhados. Uma equipa internacional analisou imagens que cobrem cinco áreas do céu — uma extensão combinada equivalente a cerca de 2200 Luas cheias colocadas lado a lado — contendo cerca de 15 milhões de galáxias, acompanhando a forma como a gravidade da teia cósmica curvava a sua luz. Em separado, uma equipa que utilizou o Cosmic Evolution Survey (COSMOS) do telescópio espacial Hubble, o maior levantamento do universo já realizado pelo telescópio, envolvendo 70 astrónomos liderados por Nick Scoville, do Caltech, construiu um mapa tridimensional da distribuição da matéria escura usando o mesmo princípio das lentes gravitacionais.

As duas abordagens também nem sempre concordam entre si nem com outros métodos. A equipa do levantamento de grande área do céu descobriu que a sua própria estimativa de quanta matéria se aglomera pelo cosmos ficou bastante abaixo do valor calculado a partir das observações do satélite Planck — uma discrepância que os cientistas ainda estão a tentar resolver.

A matéria escura também deixou marcas na luz mais antiga do universo. A radiação cósmica de fundo — luz libertada quando o universo tinha cerca de 375.000 anos — transporta pequenas diferenças de temperatura que mostram como a matéria, incluindo a matéria escura, já começava a aglomerar-se nessa fase inicial.

O satélite Cosmic Background Explorer (COBE) da NASA detetou pela primeira vez essas pequenas diferenças de temperatura em todo o céu em 1992, e missões posteriores refinaram o quadro. A própria cronologia da NASA situa esse instantâneo num universo que evolui há 13,77 mil milhões de anos, tempo suficiente para que a gravidade transformasse pequenas flutuações do universo primordial nas galáxias, enxames e teia cósmica que os astrónomos mapeiam hoje.

Nem todos os astrofísicos estão convencidos de que a matéria escura seja a resposta certa. Durante décadas, os investigadores mediram no espaço mais atração gravitacional do que a matéria visível ou conhecida consegue explicar, e a solução habitual tem sido assumir que massa invisível preenche essa lacuna. Uma minoria defende, em vez disso, que o verdadeiro problema está na própria lei da gravidade: as galáxias parecem infringir regras que remontam ao trabalho de Isaac Newton, do final de 1600, o que tem mantido viva a dinâmica newtoniana modificada, ou MOND, como explicação rival.

Entretanto, a busca direta por uma partícula de matéria escura continua. No final de 2025, o detetor de matéria escura LZ excluiu interações WIMP com secções eficazes acima de 9 GeV/c2 como possível explicação, ao mesmo tempo que reportou a primeira deteção confirmada de neutrinos solares de boro-8 através de um processo relacionado, chamado dispersão elástica coerente neutrino-núcleo. Seja qual for a explicação que acabar por vencer, a procura pela massa em falta do universo continua bem viva.

• Previsão única da 'gravidade modificada' desafia a matéria escura | ScienceDaily
• A matéria escura pode ser mais uniforme do que o esperado | ESO
• Visão geral do WMAP - NASA Science
• ESA - Primeiro mapa 3D da estrutura de matéria escura do universo
• Mapas de matéria escura revelam a estrutura cósmica | Nature
• Wikipédia: Matéria escura
• Wikipédia: Vera Rubin
• Wikipédia: Curva de rotação galáctica