Capítulo V

 

O QUE É A MATÉRIA NEGRA

 

“A descoberta consiste em ver o que toda a gente viu

e pensar o que nunca ninguém pensou.”

- A. Von Szent-Györgyi -

 

     Será que conseguiremos descobrir o que será esta exótica matéria?!

     Os cientistas calculam que somente nos próximos dez anos é que se conseguirá construir equipamentos e instrumentos capazes de isolar esta matéria escura e desvendar este grande mistério do nosso Universo.

     Se olharmos para o nosso sistema planetário conseguimos deduzir qual a velocidade dos planetas em torno do Sol, baseando-nos somente na massa e influência gravitacional do astro rei. De acordo com as leis de Kepler para que os planetas consigam manter a sua órbita estável, estes têm de adquirir uma determinada velocidade, e esta, por sua vez, tem valores distintos, consoante o planeta se encontre mais próximo ou mais distante do Sol. Mercúrio tem um movimento de translação bastante rápido, enquanto que Plutão, mais distante, tem um movimento de translação bastante lento. O que significa, na prática, que podemos deduzir qual será a velocidade periférica de um sistema devido à influência gravitacional do astro central.

     E foi exactamente isso que Fritz Zwicky pretendeu calcular. Quando mediu as velocidades e as distâncias de centenas de milhares de galáxias semelhantes à Via Láctea, descobriu resultados surpreendentes: concluiu que a massa do sistema era 100 vezes maior que a estimada com base na luz proveniente das galáxias!

     Se contabilizasse a quantidade de matéria visível presente na galáxia, baseando-se somente na emissão das fontes de luz, os cálculos demonstravam um valor muito inferior do que aquele que obteve quando confirmou experimentalmente a velocidade periférica do sistema galáctico.

     Irrefutavelmente, existia algum tipo estranho de matéria envolvendo as galáxias, que não conseguimos ver. Matéria escura, que não emite luz. Mas mais estranho do que isso, é que não emite qualquer tipo de radiação! Nem infra-vermelha, nem ultra-violeta, nem sequer raio-x ou radiação gama … nem nada!! Qualquer átomo conhecido até hoje emite algum tipo de radiação!

     E agora perguntamos, como é que se pode olhar para uma coisa que não se vê?! Simples … pelos efeitos gravitacionais que exerce em redor. Correcto?!

     Esta estranha forma de matéria neutra parece emitir gravidade, aliás, imensa gravidade. Actualmente, todos os astrónomos concordam e concluíram que 90%, ou mais, da massa do Universo capaz de exercer forças gravitacionais não emite qualquer traço de luz. Noventa por cento da matéria do Universo é constituída por Matéria Negra! É muita matéria …

     O Universo está dominado por uma matéria absolutamente desconhecida, a aclamada Matéria Negra. Ninguém sabe o que é esta substância. De onde vem esta matéria que não emite nenhum tipo de radiação electromagnética?

     Os cientistas descartam a hipótese de poder ser alguma forma de átomo ou elemento químico e concentram-se em partículas. Já lhe atribuíram bastantes nomes, desde partículas WIMP ( Weakly Interacting Massive Particles ),  e outros candidatos como os axions e os neutralinos.

     Não se sabe muito bem se a resolução deste problema pertence ao domínio da Física das Partículas ou da Cosmologia. Eu diria que, a solução deste mistério está nas mãos da Química!

     Para desvendarmos este enigma, seria suficiente se nos concentrássemos na sua característica mais peculiar: a ausência de radiação.

     Deixo-vos a reflectir por alguns momentos …

     Antes de prosseguirmos, é necessário termos em mente o seguinte quadro:

                       

 

- Tabela Periódica dos elementos químicos -

   

     Aqui está ela! A Tabela Periódica de Mendeleev!

     Uma autêntica obra-prima do seu autor!

     Quando Mendeleev descobriu que os elementos químicos da Natureza obedecem a um padrão, deve ter ficado extasiado! E tudo isto com um simples baralho de cartas …

     Como podem constatar, a Natureza é organizada. Os elementos químicos estão todos divididos de acordo com o seu número atómico. Este número representa o número de protões de um átomo, e este por sua vez, caracteriza e distingue os elementos químicos da Natureza.

     Assim tem-se que, se uma partícula for constituída por oito protões, oito neutrões e oito electrões, sabemos que estamos a falar do Oxigénio, cujo número atómico é 8.

     Analogamente se tivermos simplesmente um único protão, um neutrão e um electrão, sabemos que estamos a falar do Hidrogénio, cujo número atómico é 1. Este é o elemento mais simples da Natureza.

     Quando nos referimos aos elementos químicos, também podemos incluir uma outra característica que é comum a todos eles: o número de neutrões.

     Um átomo estável tem, sempre, o mesmo número de protões, neutrões e electrões. Excepto em casos pontuais em que ocorre um desequilíbrio de neutrões, e passamos a designar estes átomos por isótopos; ou quando ocorre um desequilíbrio de electrões, e passamos a designar estes átomos por iões.

     O equilíbrio sagrado permanece sempre neste triângulo perfeito:

 

Número Protões = Número Neutrões = Número Electrões

 

     Certo?!

     Recordemos um pouco melhor a composição da nossa Tabela. Na verdade, há aqui um elemento químico que foge ao padrão!

     O Hidrogénio não partilha deste triângulo sagrado. O elemento mais comum e mais simples da Tabela Periódica, o Hidrogénio, é, por estranho que pareça, um isótopo! O que significa que o Hidrogénio que habitualmente encontramos na Natureza perdeu um neutrão?! O que foi que aconteceu ao neutrão?! Um acaso da Natureza?! A Natureza tem poucos acasos …

      Pista nº 1: O que é que Matéria Negra e Isótopos de Hidrogénio têm em comum?!

     Deixo-vos a reflectir por mais alguns momentos.

     Nada! E é exactamente isso. A matéria negra não conseguiu avançar na evolução. As partículas de matéria negra serão os nossos ‘chimpanzés’ e os elementos químicos serão os nossos ‘seres humanos’.

     A Matéria Negra tem número atómico zero porque esses neutrões primitivos nunca conseguiram criar protões.

     Os conceitos de evolução de Darwin não se aplicam somente a organismos biológicos. A Mutação Neutrão-Protão permitiu a evolução.

     Façamos agora um esforço mais abstracto… viajando no tempo … para tentar espreitar e perceber o que estaria a acontecer nessa altura.

     Entramos num Universo escuro, muito escuro … e praticamente imóvel, homogéneo … mas cheio de energia e potencial!

     Há uma Misteriosa Força que já está presente neste Universo quase fantasmagórico, e que tem vindo a tomar forma: a Força Fraca, a Força subtil do desequilíbrio, a força responsável pela mutação neutrão-protão.

     Como sabemos, uma das forças presentes na Natureza é a Força Fraca. Sabemos ainda muito pouco acerca desta força. Mas com aquilo que sabemos, conseguimos deduzir que ela é a responsável pela desintegração radioactiva dos elementos químicos.

     Sabemos que os elementos são radioactivos porque são instáveis, ou antes, a instabilidade produz radiação!

     A matéria negra não foi capaz de desenvolver a Força Fraca, como tal, não conseguiu obter a mutação neutrão-protão. É por isso que a matéria negra não produz qualquer tipo de radiação!!

     A desintegração radioactiva traduz-se num processo quase mágico. Se, por exemplo, um núcleo atómico tiver 6 protões e 8 neutrões a Força Fraca detecta esse desequilíbrio e encarrega-se de repor a ordem, transformando um neutrão em protão. Desta forma, o núcleo passa a ter 7 protões e 7 neutrões, ficando mais equilibrado e estável.

     Se olharmos atentamente para os valores das massas do neutrão e do protão, constatamos que estes valores não são exactamente iguais. A massa do neutrão é um pouco superior à massa do protão:

 

mn= 1,674 928 6 x 10-27 Kg     e     mp= 1,672 623 1 x 10-27 Kg,

 

     Isto significa que, há um valor ínfimo de massa em falta. Porquê que isto acontece?

     Com a mutação do neutrão ocorre o nascimento de uma nova partícula, o protão, quase idêntica ao neutrão, mas com uma particularidade que faz toda a diferença. O neutrão tem carga neutra e o protão tem carga positiva.

     Contudo, a mutação do neutrão não termina somente no nascimento de uma nova partícula, o protão; com ela também nasce uma outra partícula, de massa ínfima e carga negativa, o electrão.

     Quando o neutrão se quebra não só transforma a sua massa em duas partes, como também divide a sua carga em duas partes.

     A Natureza só tem de obedecer a uma lei de igualdade e equivalência das propriedades de origem, que se traduz numa Lei de Conservação dada pela seguinte equação:

 

massaneutrão = massaprotão + massaelectrão

 

carganeutrão  = cargaprotão  + cargaelectrão

  

     Contudo, este tipo de desintegração é um pouco mais complexa; e o que se verifica experimentalmente é que, a mutação do Neutrão finaliza-se com a criação de um outra nova partícula:

 

Neutrão = Protão + Electrão + Neutrino

 

     Esta nova partícula, o neutrino, é uma versão em pequena escala do neutrão, talvez numa tentativa de manter a descendência. A sua massa é ainda indeterminada, mas é tão pequena que a podemos considerar como não tendo massa, esse valor é praticamente nulo. E tal como a sua partícula mãe, o neutrino não tem carga.

     Haverá no Universo Primordial tantos neutrinos quantos protões e electrões. Deveras interessante! Tantos neutrinos … porquê?!

     Todos estes neutrões do Universo, constituídos por tripletos de quarks,  foram se transformando gradualmente em protões, electrões e neutrinos e somente nesse momento é que ocorreu a consolidação dos primeiros átomos, o elemento mais simples da Tabela Periódica: isótopos de Hidrogénio!

     E é devido a esta opção da Natureza, o sacrifício do neutrão, que o elemento mais comum do Hidrogénio é um isótopo, constituído somente por um protão e um electrão, o qual designamos mais frequentemente por Prótio.

      Com a consolidação destas novas partículas, dos átomos e do primeiro elemento químico da Tabela Periódica, ocorreu um outro fenómeno ainda mais singular … Com a chegada desta nova variável, o Universo deixa de ser o que era. A partir deste momento o Universo já é capaz de gerar radiação electromagnética, e com ela surgem biliões de fotões! 

     Os fotões nem sempre estiveram presentes no Universo. Ao contrário do que constatam os manuais de Física, também estas partículas tiveram se der criadas…  

     Muito interessante! Os fotões não estavam presentes no início do Universo…

     No entanto, este Universo primordial era ainda muito quente, preenchido por energias ainda um pouco altas, o que não permitiu a consolidação destes átomos por muito tempo. Uma vez que estávamos perante um Universo relativamente denso e opaco, assim que os electrões produziam fotões, estes interagiam fortemente com outras partículas carregadas, colidindo imediatamente com electrões e protões. Antes de poderem viajar livremente em linha recta pelo espaço, estes fotões eram imediatamente absorvidos. Os átomos eram constantemente ionizados e quebrados e os feixes de luz de fotões eram constantemente emitidos e absorvidos em resultado das densidades médias elevadas das partículas circundantes.

     Como tal, por esta altura, a intensidade luminosa era ainda muito fraca e isso repercutiu-se num Universo luminosamente discreto … à luz da vela!

     Para que se formassem átomos estáveis de Hidrogénio, o Universo teve de esperar até que a sua temperatura decrescesse o suficiente com a expansão, de modo a permitir a estabilidade energética do átomo. O que só aconteceu quando o Universo atingiu 300 000 anos de idade.

     Foi neste instante do tempo que decorreu um fenómeno verdadeiramente espantoso e maravilhoso no nosso Universo … fez-se luz!!

     O Universo ficou transparente à radiação electromagnética nas mais diversas formas, e a mais bela de todas … a radiação luminosa!

     Dados adquiridos da Radiação de Fundo do Universo, uma espécie de imagem de rádio da era primordial, constatam que a radiação de fundo cósmica foi libertada quando o Universo tinha, aproximadamente, 300 000 anos de idade.

     Esta radiação de fundo é um verdadeiro registo no tempo; e esta chega-nos à Terra com a mesma intensidade, vinda de todas as direcções.

     Uma das perguntas mais intrigantes que os astrónomos fazem acerca do Universo é a seguinte: Baseados nos dados emitidos por esta radiação, os astrónomos praticamente conseguem ‘ver’ o Universo, e o que vêem é um Universo primitivo demasiado uniforme.  Desta situação surge um problema cosmológico que nenhum físico ou astrónomo conseguiu ainda uma solução para resolvê-lo. É o tão aclamado Problema da Homogeneidade.