O movimento de aglomerados de galáxias no Universo distante acaba de permitir o teste, na maior escala já feita, das leis que descrevem a gravidade.
Em distâncias que alcançam centenas de milhões de anos-luz, a força gravitacional continua a se comportar como Isaac Newton previu na sua lei da gravitação universal.
Pela formulação dessa lei, cada partícula do Universo exerce uma atração gravitacional sobre as demais: ela cresce em proporção à massa e diminui de forma inversamente proporcional ao quadrado da distância entre os centros de massa de duas partículas.
Detectar esse efeito em aglomerados de galáxias a bilhões de anos-luz de distância reforça o que entendemos hoje sobre a gravidade - e também torna mais sólida a hipótese de uma fonte teórica e misteriosa para uma atração gravitacional sem explicação direta, conhecida como matéria escura.
"É notável que a lei do inverso dos quadrados - proposta por Newton no século 17 e depois incorporada pela teoria da relatividade geral de Einstein - ainda esteja firme no século 21", afirma o cosmólogo Patricio Gallardo, da Universidade da Pensilvânia.
Por que o Universo parece desafiar a gravidade
Ao observar o Universo, surge uma discrepância difícil de ignorar.
Quando fazemos um censo de toda a matéria normal, a matéria bariônica - isto é, aquilo de que tudo o que conseguimos ver é feito, incluindo estrelas, galáxias, buracos negros, planetas, poeira e até nós mesmos - e combinamos isso com o que sabemos sobre o comportamento dessa matéria, os movimentos observados não batem com o esperado.
As galáxias giram rápido demais. A luz que atravessa o cosmos segue uma curvatura gravitacional do espaço-tempo intensa demais para ser explicada apenas pela massa bariônica. Aglomerados de galáxias que deveriam se dispersar permanecem fortemente presos uns aos outros. Até as pequenas ondulações no fundo cósmico de micro-ondas só fazem sentido se a maior parte da matéria do Universo for invisível.
Diante dessas diferenças, existem duas explicações principais. A primeira é a matéria escura - algo que não conseguimos detectar diretamente e que só interage com o Universo bariônico por meio da gravidade.
A partir de medições dos fenômenos citados, estima-se que cerca de 85 percent da matéria do Universo seja escura.
A segunda possibilidade é que haja algo faltando nas nossas definições de gravidade, apresentadas primeiro por Newton e depois ajustadas por Albert Einstein.
"Esse é o quebra-cabeça central", diz Gallardo. "Ou a gravidade se comporta de forma diferente em escalas muito grandes, ou o Universo contém matéria adicional que não conseguimos ver diretamente."
Aglomerados de galáxias e a lei do inverso do quadrado
Para investigar essas alternativas, uma abordagem é procurar novos indícios de matéria escura. Outra é verificar se a gravidade, em grandes distâncias, segue exatamente as leis previstas pela física.
Gallardo e seus colegas optaram por essa segunda linha: eles mediram as velocidades de aglomerados de galáxias distantes em um volume de espaço a cerca de 5 a 7 bilhões de anos-luz.
A amostra analisada reúne aproximadamente 686,000 galáxias, muitas delas agrupadas em aglomerados que, por influência gravitacional, se deslocam umas na direção das outras.
Como medir a velocidade de aglomerados tão distantes
Para estimar a velocidade desses aglomerados, os pesquisadores recorreram ao chamado efeito Sunyaev-Zeldovich cinemático. A primeira luz a atravessar o Universo livremente ainda está ao nosso redor hoje - trata-se do fundo cósmico de micro-ondas, o FCM.
No caminho até nós, a luz do FCM frequentemente atravessa imensas nuvens de gás quente que envolvem os aglomerados de galáxias. Se o aglomerado estiver parado, essa luz segue essencialmente em linha reta; porém, se ele estiver em movimento, fótons do FCM se espalham ao colidir com elétrons livres, deslocando levemente o sinal do FCM.
Ao quantificar o tamanho desse deslocamento, os cientistas conseguem inferir quão rápido o aglomerado se movia quando a luz passou por ele. Em seguida, a velocidade com que dois aglomerados correm um em direção ao outro pode ser usada para sondar as massas envolvidas e o modo como as forças gravitacionais atuam.
Se as teorias de gravidade precisassem ser modificadas, a atração gravitacional deveria ser mais intensa a grandes distâncias das massas - isto é, ela diminuiria com a distância de maneira mais lenta.
O que os pesquisadores viram, porém, foi o oposto: a atração entre aglomerados enfraquece rapidamente conforme a separação aumenta - em concordância com as teorias de Newton e de Einstein.
O que o resultado indica sobre matéria escura e gravidade
Esse achado aponta que a matéria escura é uma explicação mais bem sustentada para os efeitos gravitacionais estranhos observados pelo Universo do que a hipótese de gravidade modificada, embora muitas perguntas continuem em aberto.
"Este estudo reforça as evidências de que o Universo contém um componente de matéria escura, mas ainda não sabemos do que esse componente é feito", afirma Gallardo.
"Com tantas questões sem resposta, a gravidade continua sendo uma das áreas mais fascinantes de pesquisa. É um campo naturalmente atraente."
A pesquisa foi publicada em Cartas de Revisão Física.
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