Adeus, matéria escura? Cientistas sugerem nova teoria da gravidade

Uma equipa de investigadores sugere que a chamada dinâmica newtoniana modificada pode ser uma melhor teoria alternativa da gravidade do que a da matéria escura.

Podemos modelar os movimentos dos planetas no Sistema Solar com bastante precisão usando as leis da física de Newton. Mas no início da década de 70, os cientistas notaram que não funcionava para galáxias de disco — estrelas nas suas bordas, longe da força gravitacional de toda a matéria no seu centro estavam a mover-se muito mais rápido do que a teoria de Newton previa.

Isto fez com que os físicos propusessem que uma substância invisível chamada “matéria escura” ou “matéria negra” estava a fornecer força gravitacional extra, fazendo com que as estrelas acelerassem – uma teoria que se tornou extremamente popular.

No entanto, numa revisão da literatura recentemente publicada na revista científica Symmetry, os investigadores sugerem que as observações numa vasta gama de escalas são muito melhor explicadas numa teoria alternativa da gravidade proposta pelo físico israelita Mordehai Milgrom, em 1982, chamada dinâmica newtoniana modificada, ou MOND (do inglês Modified Newtonian Dynamics). Esta não requer matéria invisível.

O MOND defende que quando a gravidade se torna muito fraca, como ocorre na borda das galáxias, passa a comportar-se de forma diferente da física newtoniana. Desta forma, é possível explicar porque é que estrelas, planetas e gases nos arredores de mais de 150 galáxias giram mais rápido do que o esperado com base apenas na sua massa visível. Mas MOND não apenas explica essas curvas de rotação, em muitos casos, prevê-as.

Filósofos da ciência argumentaram que esse poder de previsão torna MOND superior ao modelo cosmológico padrão, que propõe que há mais matéria escura no universo do que matéria visível.

Isto porque, de acordo com esse modelo, as galáxias têm uma quantidade altamente incerta de matéria escura que depende de detalhes de como a galáxia se formou – o que nem sempre sabemos. Isto torna impossível prever a rapidez com que as galáxias devem girar. Mas essas previsões são feitas rotineiramente com MOND, e até agora foram confirmadas.

Imagine que conhecemos a distribuição da massa visível numa galáxia, mas ainda não sabemos a sua velocidade de rotação. No modelo cosmológico padrão, só seria possível dizer com alguma confiança que a velocidade de rotação será entre 100 km/s e 300 km/s nas periferias. MOND faz uma previsão mais definida de que a velocidade de rotação deve estar na faixa de 180-190 km/s.

Se as observações posteriores revelarem uma velocidade de rotação de 188 km/s, isso é consistente com ambas as teorias – mas, claramente, MOND é a preferida.

Esta é uma versão moderna da navalha de Occam – que a solução mais simples é preferível às mais complexas, neste caso devemos explicar as observações com o mínimo de “parâmetros livres” possível.

Parâmetros livres são constantes — certos números que devemos inserir em equações para fazê-las funcionar. Mas estes parâmetros não são dados pela teoria em si – não há razão para que tenham algum valor particular – então temos que medi-los observacionalmente.

Os investigadores introduziram um conceito conhecido como “flexibilidade teórica” para captar a ideia subjacente da navalha de Occam de que uma teoria com parâmetros mais livres é consistente com uma gama mais ampla de dados – tornando-a mais complexa.

Na nova análise, os cientistas usaram esse conceito ao testar o modelo cosmológico padrão e MOND contra várias observações astronómicas, como a rotação de galáxias e os movimentos dentro de aglomerados de galáxias.

A cada vez, deram uma pontuação de flexibilidade teórica entre –2 e 2. Uma pontuação de –2 indica que um modelo faz uma previsão clara e precisa sem examinar os dados. Por outro lado, 2 implica “vale tudo” – os teóricos teriam sido capazes de ajustar quase qualquer resultado observacional plausível (porque existem tantos parâmetros livres).

Também avaliaram o quão bem cada modelo corresponde às observações, com 2 indicando excelente concordância e -2 reservado para observações que mostram claramente que a teoria está errada. De seguida, subtraíram a pontuação de flexibilidade teórica da concordância com as observações.

Uma boa teoria faria previsões claras que são posteriormente confirmadas, idealmente obtendo uma pontuação combinada de 4 em muitos testes diferentes. Uma teoria má receberia uma pontuação entre 0 e -4. Previsões precisas falhariam neste caso – é improvável que funcionem com a física errada.

Os cientistas encontraram uma pontuação média para o modelo cosmológico padrão de -0,25 em 32 testes, enquanto MOND alcançou uma média de 1,69 em 29 testes.

Existem muitas outras falhas do modelo cosmológico padrão que foram investigadas nesta revisão da literatura, com MOND muitas vezes capaz de explicar naturalmente as observações.

A razão pela qual o modelo cosmológico padrão é, no entanto, tão popular pode estar relacionado a erros computacionais ou conhecimento limitado sobre as suas falhas, algumas das quais foram descobertas recentemente. Também pode ser devido à relutância das pessoas em ajustar uma teoria da gravidade que tem sido tão bem-sucedida em muitas outras áreas da física.

A enorme vantagem de MOND sobre o modelo cosmológico padrão no novo estudo levou os investigadores a concluir que MOND é fortemente favorecido pelas observações disponíveis. Embora não afirmem que MOND é perfeito, os cientistas acham que obtém o cômputo geral correto – as galáxias realmente carecem de matéria escura.