Author: The MOND pages
A concepção moderna da gravidade começou no século XVII com Sir Isaac Newton. Com base na Lei Universal de Gravitação de Newton é uma simples observação empírica:
Tudo acontece ... como se a força entre dois corpos fosse diretamente proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles.
- Senhor Isaac Newton
Este simples fato explicou o movimento detalhado da lua, encapsulava as Leis do movimento planetário de Kepler e, nos dias atuais, nos informa como navegar por uma minúscula nave espacial através das vastas extensões de espaço interplanetário com notável precisão. Nunca na história alguma observação plainspoken nos levou (literalmente!) Até agora.
A lei de gravidade de Newton foi testada em uma ampla gama de escalas, desde o submilímetro até o sistema solar. Seus sucessos repetidos e precisão incrível são rivalizados por algumas outras teorias físicas. A confiabilidade da Gravitação Universal era tal que, no século XIX, o pequeno excesso de precessão da órbita de Mercúrio constituía uma crise.
Esta crise foi resolvida pela teoria de Einstein sobre a Relatividade Geral, a única atualização significativa de nossa concepção de gravitação desde Newton. A Relatividade Geral manteve-se em muitos testes de precisão. Os sucessos repetidos da teoria de Newton-Einstein e a enorme eminência de seus autores levaram a uma atitude generalizada entre os estudiosos de que não pode haver nada de novo para aprender sobre gravitação. Muitos desses mesmos estudiosos aderem simultaneamente à atitude contraditória de que deve haver uma teoria unificada de tudo, ou pelo menos das quatro forças fundamentais. Até agora, a gravidade recusou-se firmemente a ser assimilada na imagem mecânica quântica que é essencial para a descrição das outras forças da natureza. No entanto, deve haver uma teoria quântica da gravidade. Perseguindo isso para sua conclusão lógica, deve haver ainda mais para aprender além do que Newton e Einstein já nos contaram.
Além do domínio quântico, existem outros quebra-cabeças gravitacionais que ainda precisam ser explicados. Um dos mais pertinentes é comumente referido como "o problema da matéria negra". Quando os astrônomos medem os movimentos das estrelas e do gás nas galáxias e ainda nos sistemas maiores, acham que as velocidades são bem superiores ao que pode ser explicado pela aplicação da Gravitação Universal da Netwon à massa em formas visíveis, como as estrelas (veja a Figura 1). Isso levou à inferência de que a maioria (aproximadamente 90%) da massa no universo está escuro.
Há uma enorme quantidade de evidências para a matéria escura. No entanto, toda essa evidência baseia-se no pressuposto de que a teoria newtoniana pode ser extrapolada com segurança do sistema solar (onde é bem testada) às escalas das galáxias. Embora seja um excelente ponto de partida, não devemos presumir que ele realmente irá segurar. Os defensores da epistemologia podem objetar que, estritamente falando, não somos confrontados com evidências de matéria escura, mas sim de discrepâncias de massa. O que vemos não se somou, então o universo está cheio de massa invisível, ou a teoria que leva à inferência dessa massa precisa ser revisada.
Para retornar às raízes empíricas da gravidade, lembre-se da observação de Newton de que "tudo se comporta como se..." Embora isso seja verdade com grande precisão no sistema solar, é manifestamente falso em galáxias e outros sistemas extragalácticos. Se mantivesse, não teríamos necessidade de matéria escura. A culpa, em vez disso, da gravidade pode ser apropriada se houver uma modificação da fórmula de Newton que satisfaça o espírito de seu ditum "tudo se comporta como se..."
Muitas dessas tentativas foram feitas, e muitas falharam. Essas falhas encorajaram as pessoas na direção da matéria escura. No entanto, há uma idéia que sim falha. Em 1983, o físico israelense M. Milgrom levantou a hipótese de uma mudança específica nas equações que regulam os movimentos de partículas em acelerações muito baixas. Ele chamou isso de dinâmica Newtoniana modificada, ou MOND. MOND reduz-se à forma habitualmente newtoniana no regime de alta aceleração, mas a acelerações inferiores a 1 parte em 1011 do que sentimos aqui na Terra, as coisas mudam de maneira que possam explicar a discrepância em massa.
Uma vez que as equações de MOND (ou qualquer outra modificação hipotética) são escritas, deixam pouca margem de manobra. Os dados dinâmicos precisos, como as curvas de rotação de galáxias espirais, devem decorrer da aplicação de MOND à distribuição observada de matéria luminosa (estrelas e gás). Cada galáxia fornece um teste exclusivo da hipótese. Adapta-se às curvas de rotação observadas de galáxias como essa em Fig. 1 agora foram realizados para mais de 100 galáxias, com resultados comparáveis. Embora seja certamente o quebra-cabeça ocasional, não há casos conhecidos em que a MOND falha claramente. Na grande maioria, é bem sucedido. MOND é a fórmula que satisfaz o dito de Newton "tudo se comporta como se..."
Em seus trabalhos originais de 1983, Milgrom fez uma série de previsões sobre uma classe desconhecida de galáxias de "baixa densidade superficial". Esses objetos devem, se MOND estiver correto, exibirem grandes discrepâncias de massa porque sua massa luminosa difusa proporcionaria uma aceleração gravitacional ainda mais fraca do que a quantidade já tênue encontrada em galáxias mais brilhantes. Ele listou uma série de conseqüências específicas e testáveis dessa previsão. Na época, esses objetos eram considerados raros ou inexistentes. Mais tarde, eles foram descobertos e agora são conhecidos como galáxias de "baixa luminosidade superficial". No processo de estudar esses novos objetos para seu próprio interesse, os astrônomos gradualmente acumularam os dados necessários para testar as previsões em grande parte esquecidas de Milgrom, décadas. Chegou como um grande choque ao descobrir que cada um deles foi realizado nos dados. Enquanto a ciência, em princípio, avança pela construção de hipóteses que fazem previsões que posteriormente podem ser testadas, é um caso raro, de fato, que na prática realmente segue este modelo de forma tão limpa.
Esses sucessos de MOND são mais óbvios em locais onde os dados dinâmicos que o testam são mais precisos. No entanto, existem muitos outros sistemas onde a imagem é menos clara. Qualquer modificação de leis dinâmicas deve explicar a discrepância em massa em todos os lugares. Deve funcionar não só para curvas de rotação, mas também para as dispersões de velocidade das galáxias esferoidais, as temperaturas dos gases dos cachos das galáxias e os movimentos peculiares das galáxias na estrutura em larga escala do universo.
Um lugar em que MOND parece ter sérias dificuldades é em ricos conjuntos de galáxias: a massa luminosa fica baixa por cerca de dois dos necessários para explicar as observações. Por um lado, isso pode não parecer tão ruim: chegar dentro de um fator dois em astronomia é muitas vezes visto como um grande sucesso. Por outro lado, a discrepância parece genuína. Isso implica que ainda há uma massa adicional a ser descoberta em clusters. Isso, de fato, invoca alguma forma de matéria escura - dificilmente um ponto de venda para uma teoria que procura acabar com essas coisas. Isso pode ser considerado fatal para a MOND se não fosse pelo fato de que a descoberta de enormes reservatórios de massa em cachos aconteceu antes. Pensava-se que as estrelas nas galáxias que compunham os aglomerados eram o maior reservatório da matéria normal lá. Cerca de uma década atrás, tornou-se evidente que a massa de gás quente e difuso espalhado entre as galáxias de cluster excede em grande parte a massa em estrelas. Sendo assim, é difícil ter certeza de que outro fator de dois não vai aparecer.
Outro problema é a cosmologia. A Relatividade Geral não modificada fornece uma interpretação satisfatória para os aspectos empíricos da cosmologia do big bang: um universo em expansão, a nucleossíntese dos elementos de luz e a radiação relíquica conhecida como fundo de microondas cósmica. O sucesso da cosmologia padrão é freqüentemente equiparado a evidências contra MOND. No entanto, a cosmologia padrão só é viável se 90% da massa realmente existe em uma forma ainda hipotética - dificilmente um grande vantagem. Pior ainda, nos últimos anos tornou-se necessário ressuscitar o "grande erro" autodescrito de Einstein: a constante cosmológica. Pode-se imaginar se essas curvas estranhas estão insinuando alguma verdade maior.
O fundo de microondas cósmicas pode ajudar a resolver esse problema. Um universo cheio de matéria escura deixa uma assinatura sutilmente diferente nesse eco do big bang do que um desprovido de matéria escura. Observações recentes foram tentadoramente próximas de poder distinguir entre os dois casos, mas finalmente não conseguiram fazer uma distinção clara. As próximas missões espaciais, como o MAP da NASA e o PLANCK da ESA, esperamos fazer o truque.
Independentemente de MOND ser correto como uma teoria, ele constitui uma fenomenologia observada que exige explicação. Aqui está um enigma real para a imagem da matéria negra. As expectativas naturais das teorias da matéria escura para curvas de rotação não se parecem com MOND e, portanto, não conseguem reproduzir todo um conjunto de fatos observacionais essenciais. A melhor teoria da matéria negra pode esperar fazer é tentar parecer com MOND e, portanto, publicar as muitas coisas que Milgrom previu com sucesso. Isso dá uma pausa genuína para considerar como a ciência deve continuar.
O debate entre matéria escura e MOND é refrescante. Houve alguma preocupação expressada nos últimos anos que a ciência está no fim. Todas as descobertas fundamentais foram feitas; não há nada muito novo para descobrir. Esse sentimento ecoa as palavras de Rutherford há quase um século: "Tudo o que resta ... é preencher os últimos decimais." Agora, como então, os rumores do fim da ciência fundamental são muito exagerados.
Figura 1: A curva de rotação da galáxia anã NGC 1560. A linha inferior é a rotação prevista pela aplicação da gravidade newtoniana às estrelas e ao gás observados. Isso fica bem abaixo da rotação observada, levando à inferência da matéria escura para compensar a diferença. A linha superior mostra que a rotação é esperada pela aplicação de MOND às estrelas observadas e ao gás. Resultados semelhantes são agora conhecidos por mais de 100 galáxias. Note-se que neste caso, mesmo a torção observada na distribuição de gás é refletida na rotação. Isso é extremamente difícil de explicar com matéria escura que não é distribuída como a massa luminosa. MOND é a fórmula que satisfaz o dito de Newton "tudo se comporta como se..."