Por Sean Carroll
Publicado no Preposterous Universe
A gravidade é a mais óbvia das quatro forças da natureza. É, também, a primeira para o qual tivemos um postulado quântico sensato: a lei da gravitação universal de Newton. Agora, temos teorias sensíveis para todas as quatro forças, e a proposta de Newton foi substituída por uma teoria ainda melhor: a da Relatividade Geral de Einstein (RGE).
A RGE passou por uma série de desafios experimentais com louvor: a precessão de Mercúrio, a deflexão da luz, o desvio gravitacional para o vermelho e o atraso do tempo, a radiação gravitacional do pulsar binário e a taxa de expansão do universo primordial durante a era de nucleossíntese. Porém, ela não se encaixa no resto da física, já que as outras três forças parecem ser compatíveis com a mecânica quântica de uma forma que não faz a gravidade. Então, muitas poucas pessoas realmente acreditam que a relatividade geral é a resposta final; em algum momento, nós vamos ter que inventar um modelo melhor (com a teoria das cordas sendo a principal candidata), intrínseco à mecânica quântica que, mesmo assim, reduzirá a RGE nos regimes adequados.
Normalmente, em teoria de campos, se um modelo funciona bem em um determinado regime, você pode esperar quebrar a distâncias mais curtas ou energias mais elevadas, mas as situações continuarão a ser bem sucedidas em longas distâncias e em energias mais baixas. No entanto, as pessoas começaram a perguntar se a relatividade geral pode ser aplicada no sistema solar, mas quebrada em escalas muito maiores (tamanho de Galáxias ou do universo). A principal motivação para tais sugestões é o fato de que precisamos levantar a hipótese de matéria e energia escura para fazer sentido em nosso universo, se a RGE estiver correta. É muito provável que ela esteja correta, e a matéria escura e energia escura sejam reais, mas, já que não podemos ter certeza, consideramos a possibilidade de que a compreensão da gravidade possa estar incompleta.
Claro, é fácil dizer “vamos modificar a gravidade”, mas é muito mais difícil chegar a um bom modelo. Na verdade, não é nem mesmo óbvio o problema que você gostaria de abordar no seu modelo – a necessidade de matéria escura em galáxias, aglomerados e estrutura em larga escala; ou o valor perplexamente pequeno da constante cosmológica; ou a aceleração do universo convencionalmente atribuída a energia escura.
Modificando a gravidade com o objetivo de substituir a matéria escura é um projeto de longa data que reuniu-se em um sucesso misto, sendo o mais famoso prosseguido por Milgrom e seus amigos. Milgrom tem uma ideia chamada “Dinâmica Newtoniana Modificada”, ou MOND (em inglês) para simplificar. Algumas podem ser vistas nas introduções dos trabalhos de Greg Bothun ou Stacy McGaugh, ou em seus comentários, por Sellwood e Kosowsky. A ideia é aumentar um pouco a aceleração da gravidade newtoniana quando essa aceleração for baixa, de modo que as partículas moveriam-se mais lentamente em sentindo de força do que normalmente fariam, imitando a presença de matéria invisível. Essa ideia funciona muito bem para as galáxias individuais; de fato, Milgrom fez previsões para o comportamento de galáxias de baixo brilho superficial antes que elas fossem diretamente observadas, e as previsões foram posteriormente confirmadas muito bem.
Infelizmente, há problemas com o próprio paradigma MOND. Por um lado, não é realmente uma “teoria”, é apenas uma regra para fazer previsões em um conjunto muito específico de circunstâncias – partículas que orbitam em torno de corpos maciços lentamente em movimento. (Assim como uma questão de observação, ele nem sequer parece funcionar muito bem para aglomerados de galáxias, embora ele faça muito bem para as galáxias individuais.) Desde que não é uma teoria em pleno desenvolvimento, é difícil fazer previsões para outros testes que você gostaria de fazer, como a deflexão da luz. Então, as pessoas têm vindo a tentar inventar uma teoria real que reduz a MOND nas circunstâncias adequadas. Em uma recente proposta, Bekenstein alegou ter sucesso; agora as pessoas estão no trabalho de colocar essa ideia para teste, para ver o quanto ela faz sentido e se ele está de acordo com outras coisas que sabemos sobre a cosmologia.
Além das dificuldades teóricas, há pelo menos uma razão independente do modelo de pensar que nenhuma modificação de gravidade nunca vai substituir a ideia de matéria escura: parece que estamos acumulando evidências (tentativamente, no momento, para ter certeza) para forças gravitacionais que apontam em direções onde não há matéria comum. A mais básica, vem de estudos de lente gravitacional de aglomerados de galáxias, que podem ser utilizados para reconstruir a distribuição da matéria escura nos aglomerados. O resultado é que a matéria escura parece ser distribuída muito mais suavemente do que a matéria comum; veja esta imagem do conjunto reconstruído para um exemplo. Menos evidência direta é encontrada na estrutura de pico acústico das anisotropias de temperatura na radiação cósmica de fundo. (Para uma introdução, consulte o tutorial de Wayne Hu.) Flutuações de densidade no plasma do universo tem a vantagem inicial de ondas, em que as regiões tornam-se mais densas e, portanto, quentes, e depois saltam para trás e tornam-se menos densas, em um ciclo de repetição; isso leva a picos no trama de flutuação de temperatura em função da escala angular. Mas flutuações na matéria escura não aquecem (elas não interagem com a luz, uma vez que esta está escura), porque elas só aumentam com o tempo. Consequentemente, os picos ímpares têm a matéria comum e de matéria escura em fase, e picos de numeração par tê-los fora de fase. As oscilações fora-de-fase são suprimidas, por isso esperamos que a matéria escura impulsione os picos ímpares. Isto é exatamente o que parece acontecer, como este número indica. Pelo menos um pouco; os dados precisam ser melhorados antes de que possamos ter certeza. Mas é difícil ver como uma teoria da gravidade modificada poderia explicar esse fenômeno.
Claro, talvez uma teoria da gravidade modificada poderia prever as forças gravitacionais que poderiam apontar onde existe matéria comum; você teria que dizer uma teoria primária antes que pudéssemos dizer com certeza. A MOND não é. No entanto, tal teoria é ainda mais difícil de imaginar do que aquela que simplesmente se ajusta aos dados de galáxias.
