Um comportamento incomum da gravidade pode explicar a matéria escura

A matéria escura é uma das componentes do modelo cosmológico atual que foi introduzida para explicar discrepâncias entre a massa visível das galáxias e os efeitos gravitacionais observados. Efeitos como curvas de rotação de galáxias, dinâmica de aglomerados e padrões na radiação cósmica de fundo indicam a presença de um tipo de matéria que não emite nem absorve luz. A existência desse tipo de matéria é inferida por meio de seus efeitos gravitacionais sobre a matéria bariônica e a luz.

Um dos grandes desafios da Astronomia é que a natureza da matéria escura permanece desconhecida. Atualmente, a abordagem mais comum assume que ela é composta por novas partículas fundamentais como WIMPs, áxions ou neutrinos que interagem fracamente com a matéria comum. Outras alternativas para explicar a matéria escura, sem a necessidade de uma nova partícula, são modificações na forma como a gravidade se comporta em grandes escalas ou em regimes de baixa aceleração.

Com as propostas da gravidade modificada, os efeitos atribuídos à matéria escura vem de um comportamento diferente da gravidade, que se desvia das previsões da relatividade geral em certos contextos. Modelos desse tipo sugerem que a lei gravitacional pode mudar em diferentes ambientes. Com isso, curvas de rotação galácticas e estruturas em larga escala poderiam ser explicadas sem a necessidade de matéria escura. Uma nova proposta surgiu recentemente chamada de esquema infrared running.

Matéria escura e gravidade

A matéria escura é uma componente do Universo que ajuda a explicar efeitos gravitacionais que não podem ser atribuídos à matéria visível. As primeiras observações de que poderia existir essa componente foram sobre curvas de rotação de galáxias. Em vez das curvas seguirem um padrão esperado considerando apenas a matéria visível, elas possuem um comportamento onde deveria existir mais massa do que esperado. Após essas primeiras observações, outras observações como aglomerados de galáxias foram realizadas.

Na prática, a definição observacional de matéria escura é inteiramente gravitacional. Sua presença é inferida a partir de desvios entre o campo gravitacional esperado, calculado a partir da matéria luminosa e o observado. Esses desvios aparecem em curvas de rotação de galáxias, em efeitos de lente gravitacional e na formação de estruturas em grande escala. Assim, a gravidade atua como a principal forma de mapear a matéria escura até hoje e definindo como entendemos essa componente.

Modificação na descrição da gravidade

Uma das formas de explicar a matéria escura é usando as teorias chamadas de modified newtonian dynamics (MOND) que propõem uma modificação da lei gravitacional de Newton. Essa modificação seria em regimes de aceleração baixa, típicos nas bordas de galáxias, como alternativa à hipótese de matéria escura. A MOND sugere que a relação entre força e aceleração deixa de ser linear abaixo de um certo limiar, reproduzindo naturalmente curvas de rotação de galáxias sem a necessidade de um halo de matéria escura.

As teorias de modificação da gravidade generalizam essa ideia ao alterar as equações da gravitação em escalas galácticas ou cosmológicas. Exemplos incluem extensões da gravidade com campos escalares, vetoriais ou termos geométricos adicionais. O objetivo dessas abordagens é explicar fenômenos atribuídos à matéria escura e à energia escura, por meio de uma gravidade diferente. Elas mantêm a consistência com observações cosmológicas, lentes gravitacionais e a radiação cósmica de fundo.

Infrared running

Recentemente, um novo artigo publicado no Physics Letters B introduziu o conceito de esquema infrared running. A ideia desse esquema vem da teoria quântica de campos aplicada à gravidade, no qual a constante gravitacional não é tratada como um valor fixo em todas as escalas. A constante pode variar com o comprimento de onda associado ao fenômeno físico considerado. Sem introduzir novas partículas, o modelo permite que a intensidade da interação gravitacional mude com a escala.

Ao aplicar o infrared running, o estudo obtém um potencial gravitacional modificado que se desvia da lei do inverso do quadrado da distância de Newton. Na escala do infravermelho, o potencial passa a incluir um termo proporcional a 1/r. Esse comportamento altera a dinâmica orbital em galáxias, reproduzindo curvas de rotação sem a necessidade de matéria escura. O resultado mostra que é possível explicar observações galácticas com base no infrared running.

Universo sem matéria escura

No contexto do infrared running, durante a formação da radiação cósmica de fundo e o começo da formação das estruturas, a gravidade se comportava quase exatamente como previsto hoje. Nesse modelo, possíveis mudanças na gravidade surgem de maneira gradual, aumentando com o tamanho das escalas e com a evolução do Universo. Essa ideia preserva a concordância com o Universo jovem e só produz efeitos maiores em épocas mais recentes e em escalas galácticas.

Com isso, efeitos normalmente atribuídos à matéria escura poderiam ser explicados como resultado de uma gravidade que se comporta de forma diferente em grandes distâncias. O desafio principal dessa proposta é verificar se ela consegue explicar observações como lentes gravitacionais e o movimento de aglomerados de galáxias. No entanto, o infrared running ainda precisa de testes observacionais mais precisos para se consolidar como uma proposta à natureza da matéria escura.

Referência da notícia

Kumar 2025 Marginal IR running of gravity as a natural explanation for dark matter Physics Letters B