Capítulo 10: Como as galáxias cresceram

Noite 110: Uma aula com gotas de água

O dia 110 era um sábado no relógio da estação. Os fins de semana em órbita não são totalmente livres, porque alguns trabalhos nunca param, mas são mais leves. De manhã, a tripulação limpou a estação junto. Passaram pano nas superfícies, trocaram filtros de ar e aspiraram as grades onde se acumulam poeira, migalhas e pequenos objetos perdidos, levados até lá pelo ar em movimento. Ade encontrou um parafuso que alguém tinha perdido semanas antes, e Tomás o declarou o achado do dia.

Os fins de semana também trazem um pouco de tempo para si. Tomás passou uma hora com a sua música, tocando baixinho para si mesmo, com os fones de ouvido. Ade leu um livro no tablet com os pés enganchados embaixo de um corrimão. Cada um tinha uma ligação particular com a família marcada para a noite. Uma estação espacial é um lugar de trabalho, mas, num sábado, ela se torna, por algumas horas, algo mais parecido com uma casa.

À tarde, Noor tinha uma tarefa pela qual estava esperando. O solo tinha pedido que ela gravasse uma aula curta para escolas. Crianças tinham mandado perguntas sobre a vida na estação, e algumas eram sobre a água. O que acontece com a água quando nada a puxa para baixo? Ela escorre? Ela respinga? Ela cai?

Noor montou uma câmera num canto tranquilo e espremeu um pouco de água de uma bolsa de beber. A água não escorreu. Saiu como uma bolha trêmula e depois, devagar, foi se puxando até virar uma bola quase perfeita, flutuando no ar diante dela. Ela a tocou de leve com um canudo, e a bola estremeceu inteira e voltou a ficar redonda. Ela acrescentou uma segunda gota, menor, e, quando as duas se tocaram, juntaram-se na hora numa bola maior.

Ela explicou para a câmera que a água puxa a si mesma. Na superfície, a água está sempre puxando para dentro, um pouco como uma pele esticada. Na Terra, a gravidade é mais forte do que essa atração, então a água se espalha numa poça ou escorre ladeira abaixo. Na estação, na ausência de peso, a atração da própria água vence, e a forma que guarda mais água com a menor superfície é uma bola. No final, ela recolheu as gotas com cuidado usando uma toalha, porque água solta perto de equipamentos elétricos é um risco real.

Naquela noite, ela mandou a Sami um trecho curto do vídeo. Ele respondeu que a filha dele, de sete anos, tinha assistido três vezes e agora queria ser astronauta, ou talvez uma gota de água. Depois perguntou uma coisa que estava na cabeça dele desde a aula. Se as gotas pequenas se juntam em gotas maiores, foi assim que as galáxias também se formaram? Noor pensou no assunto. De certa forma, sim, escreveu ela. Mas a força que junta as galáxias não é a atração da superfície da água. É a gravidade. E parte dela vem de algo que ninguém consegue ver.

Das ondulações a uma teia

Na noite anterior, vimos as primeiras estrelas se acenderem na escuridão. Elas se formaram em aglomerados de gás, nos lugares onde o universo jovem era um pouco mais denso do que a média. A história desta noite é sobre o que aconteceu em seguida: como esses primeiros aglomerados pequenos cresceram, se juntaram e se tornaram as galáxias que preenchem o universo hoje, inclusive a Via Láctea, a nossa própria galáxia.

A história começa com as ondulações minúsculas que vimos na luz mais antiga, diferenças de cerca de uma parte em 100.000. A gravidade transformou essas pequenas diferenças em grandes diferenças. Um lugar um pouco mais denso puxa um pouco mais forte, junta mais matéria e fica mais denso ainda. Ao longo de centenas de milhões e depois de bilhões de anos, as ondulações cresceram até virar aglomerados, e os aglomerados cresceram até formar estruturas maiores.

Há um motivo para a gravidade, entre todas as forças da natureza, ter conseguido fazer esse trabalho. Na vida cotidiana, a gravidade é muito fraca. Um ímã pequeno consegue levantar um clipe de papel contra a atração da Terra inteira. Mas a gravidade tem uma qualidade especial: ela só puxa, nunca empurra, e vai se somando. As cargas elétricas são de dois tipos, positivas e negativas, e em grandes quantidades de matéria elas se cancelam em sua maior parte. A gravidade nunca se cancela. Nas distâncias enormes e nos tempos longos do universo, ela se torna a força que dá forma a tudo.

Quando os astrônomos mapeiam onde as galáxias estão hoje, veem um padrão notável. As galáxias não estão espalhadas de modo uniforme, como açúcar polvilhado sobre uma mesa. Elas estão organizadas em longos filamentos e paredes finas, com regiões enormes e quase vazias entre eles. Onde os filamentos se encontram, há grupos e aglomerados lotados de galáxias, alguns contendo centenas ou milhares de galáxias. Os astrônomos chamam esse padrão de teia cósmica.

Se você já viu uma teia de aranha coberta de orvalho da manhã, ou a espuma de uma xícara de café quando as bolhas se apertam umas contra as outras, já viu algo com uma aparência parecida: bordas finas e junções, com espaços abertos entre elas. A teia cósmica é, claro, imensamente maior. Uma única região vazia nela pode ter centenas de milhões de anos-luz de largura. Mas a ideia é a mesma. A matéria se juntou ao longo de linhas e em pontos de encontro e escoou dos espaços entre eles.

Os modelos de computador do universo, que começam com as ondulações medidas na luz mais antiga e depois seguem a gravidade para a frente ao longo de bilhões de anos, produzem uma teia muito parecida com a real. Essa concordância é um dos motivos pelos quais os astrônomos acham que entendem a história geral de como a estrutura do universo cresceu. Mas os modelos só funcionam bem se incluírem um ingrediente muito importante, algo que ninguém jamais viu diretamente.

As pessoas que notaram que faltava algo

A primeira pista veio em 1933, de um astrônomo chamado Fritz Zwicky. Ele estava estudando um grande aglomerado de galáxias na constelação chamada Coma Berenices. Mediu a velocidade com que as galáxias do aglomerado se moviam. As galáxias de um aglomerado se movem umas em volta das outras, mantidas juntas pela gravidade de todas elas, como pessoas circulando numa sala lotada que nunca chegam a sair dela. Quanto mais depressa elas se movem, mais gravidade é necessária para mantê-las juntas.

Zwicky descobriu que as galáxias estavam se movendo depressa demais. Se o aglomerado contivesse só a matéria que os astrônomos conseguiam ver, na forma de estrelas brilhantes, ele deveria ter se desfeito há muito tempo. Mesmo assim, lá estava ele. Alguma coisa devia estar acrescentando muita gravidade extra. Zwicky escreveu sobre “matéria escura”, matéria que não brilha, mas atrai. Muitos astrônomos da época não ficaram convencidos. As medições eram difíceis, e era possível que algo tivesse passado despercebido. A ideia ficou esperando.

Décadas depois, nos anos 1970, a astrônoma Vera Rubin estudou como as estrelas e o gás se movem dentro das galáxias espirais. Uma galáxia espiral gira devagar, como uma grande roda. Seria de esperar que ela girasse como o nosso sistema solar, onde os planetas longe do Sol se movem mais devagar do que os planetas perto dele, porque a atração do Sol é mais fraca longe dele. A maior parte da luz de uma galáxia vem do seu centro brilhante, então os astrônomos esperavam que as estrelas de fora também se movessem devagar.

Não foi isso que Rubin encontrou. Galáxia após galáxia, as estrelas e o gás lá longe, nas bordas, se moviam tão depressa quanto os que estavam mais perto do centro. Moviam-se tão depressa que deveriam ter sido arremessados para longe, a menos que houvesse na galáxia muito mais matéria do que se podia ver, espalhada muito além das estrelas brilhantes. Rubin era cuidadosa e paciente, e era difícil contestar as medições dela. Junto com o trabalho de outros, elas convenceram a maioria dos astrônomos de que a matéria escura é real. Foi um bom exemplo de como um trabalho constante e cuidadoso pode mudar aquilo em que uma área inteira acredita.

Desde então, outras evidências se somaram. A massa curva o caminho da luz que passa perto dela, e os astrônomos conseguem ver galáxias ao fundo cuja luz foi curvada e distorcida por aglomerados à frente delas. A quantidade de curvatura mostra quanta massa existe ali, e mais uma vez é muito mais do que a matéria visível. Os padrões da luz mais antiga também só podem ser explicados se houver uma grande quantidade de matéria escura. Hoje, os astrônomos estimam que há no universo cerca de cinco vezes mais matéria escura do que matéria comum.

O que sabemos e o que não sabemos

Então, o que é a matéria escura? A resposta honesta é que ninguém sabe. Sabemos que ela tem gravidade, porque conseguimos ver a sua atração. Sabemos que ela não brilha, não reflete luz e não bloqueia luz, porque, do contrário, nós a veríamos. Sabemos que ela não parece colidir com a matéria comum de nenhuma maneira que tenhamos conseguido perceber. Além disso, a natureza dela é uma das maiores perguntas sem resposta da ciência.

Se a matéria escura é feita de partículas, como muitos cientistas acham, então essas partículas provavelmente não estão só lá longe, em outras galáxias. Elas podem estar à nossa volta, aqui na Via Láctea, atravessando silenciosamente a Terra, a estação e o seu quarto enquanto você lê, sem tocar em nada. Isso não é certo, porque não sabemos o que é a matéria escura. Mas é um pensamento estranho e suave: o tipo de matéria mais comum do universo pode estar atravessando você agora mesmo, e você nunca sentiria.

Algumas coisas foram praticamente descartadas. A matéria escura poderia ser simplesmente matéria comum difícil de ver, como gás frio, poeira, estrelas fracas, estrelas mortas ou buracos negros? Os astrônomos procuraram esses objetos e de fato encontram alguns, mas nem de longe o suficiente. Há também um motivo mais profundo. Os primeiros minutos, que conhecemos numa noite anterior, fixaram a quantidade total de matéria comum do universo, e a luz mais antiga confirma essa quantidade. Ela é pequena demais para explicar toda a gravidade extra. Então a maior parte da matéria escura deve ser algo diferente dos átomos que formam as estrelas, os planetas e as pessoas.

Muitos cientistas acham que a matéria escura é um tipo de partícula que ainda não foi descoberto. Pelo mundo, cientistas construíram detectores muito sensíveis, muitas vezes no fundo do subsolo, onde ficam protegidos de outras partículas, para tentar flagrar uma partícula de matéria escura colidindo com a matéria comum. Outros procuram sinais de matéria escura em aceleradores de partículas ou no céu. Até agora, nenhuma dessas buscas a encontrou. Isso não quer dizer que ela não esteja lá. Quer dizer que ela é mais difícil de flagrar do que se esperava, ou diferente do que se imaginava.

Um pequeno número de cientistas tentou uma ideia diferente: talvez não exista matéria extra nenhuma e, em vez disso, a gravidade se comporte de outro jeito em distâncias muito grandes do que as nossas teorias dizem. Essa ideia teve alguns sucessos ao explicar como as galáxias giram. Mas tem tido grande dificuldade para explicar ao mesmo tempo os aglomerados de galáxias, a curvatura da luz e os padrões da luz mais antiga, que a matéria escura explica em conjunto. Por enquanto, a maioria dos astrônomos acha que a matéria escura é a explicação melhor. Mas a questão continua em aberto, e é exatamente assim que deve ser até que as evidências a resolvam.

Seja lá o que ela for, a matéria escura teve um papel-chave no crescimento das galáxias. A matéria comum, no universo jovem, era empurrada pela luz e não conseguia se juntar em aglomerados com muita facilidade até a luz mais antiga ser liberada. A matéria escura não sente a luz. Por isso, pôde começar a se juntar em aglomerados mais cedo. Quando o gás comum finalmente ficou livre, ele caiu dentro dos aglomerados de matéria escura que já estavam à espera. Sem essa vantagem inicial, as galáxias teriam levado muito mais tempo para se formar, e o universo de hoje talvez tivesse uma aparência muito diferente.

Galáxias que se juntam

As primeiras galáxias eram pequenas. Como vimos na noite anterior, o telescópio Webb vê galáxias de algumas centenas de milhões de anos depois do começo, e elas são muito menores do que a Via Láctea. Como galáxias grandes como a nossa cresceram a partir de começos tão pequenos? Em parte atraindo gás novo da teia cósmica, e em parte se juntando, como as gotas de água de Noor, embora muito mais devagar e com muito menos delicadeza.

Quando duas galáxias se aproximam, a gravidade delas as puxa uma para a outra. Elas giram uma em volta da outra, às vezes várias vezes ao longo de centenas de milhões de anos, e longos fluxos de estrelas e gás são puxados para fora delas. No fim, muitas vezes elas se acomodam numa única galáxia maior. Os astrônomos fotografaram muitos pares de galáxias em diferentes etapas desse encontro lento. Cada imagem é como um quadro de um filme que leva muito mais do que uma vida humana para passar.

A nossa própria galáxia é o resultado de bilhões de anos desse tipo de crescimento. Hoje, a Via Láctea é uma grande galáxia espiral, com cerca de 100.000 anos-luz de diâmetro e centenas de bilhões de estrelas, uma das quais é o Sol. Da estação, numa passagem escura, Noor conseguia ver a faixa dela atravessando o céu. O que ela via era a vista de dentro de um grande disco achatado de estrelas, visto de lado a partir de algum ponto dentro dele.

A Via Láctea cresceu em parte desse jeito. Astrônomos que estudam os movimentos das estrelas na nossa galáxia encontraram grupos de estrelas que se movem juntas de maneiras incomuns, e acham que eles são os restos de galáxias menores que a Via Láctea engoliu há muito tempo. Algumas das estrelas mais antigas da nossa galáxia se formaram há mais de 13 bilhões de anos, então a Via Láctea vem crescendo durante quase toda a história do universo. Até hoje, ela está atraindo devagar algumas pequenas galáxias vizinhas.

E a Via Láctea tem um grande encontro pela frente. Numa noite anterior, vimos que a galáxia de Andrômeda, a cerca de 2,5 milhões de anos-luz, é uma das poucas galáxias que estão vindo na nossa direção. Daqui a cerca de 4 a 5 bilhões de anos, espera-se que a Via Láctea e a galáxia de Andrômeda cheguem muito perto uma da outra e, ao longo de muito tempo, talvez se fundam numa única galáxia maior. Os caminhos exatos delas ainda estão sendo medidos, então os astrônomos ainda não têm certeza de quando, ou mesmo se, a fusão vai acontecer. Se acontecer, o céu noturno de qualquer planeta que ainda exista nessa época será muito diferente, cheio de novos fluxos e nuvens de estrelas.

Isso pode parecer assustador, mas não há motivo para se preocupar, por dois motivos. O primeiro é o tempo enorme envolvido, muitas vezes mais longo do que a história humana. O segundo é que as galáxias são, na maior parte, espaço vazio. As distâncias entre as estrelas são tão grandes em comparação com as próprias estrelas que, quando duas galáxias se fundem, as estrelas quase nunca se chocam. Elas passam umas pelas outras a grandes distâncias, enquanto as nuvens de gás das duas galáxias se encontram e podem dar origem a muitas estrelas novas.

Uma mensagem para Sami

Antes de dormir, Noor assistiu mais uma vez ao vídeo curto das gotas de água e depois mandou a aula pronta para o solo. Pensou nas crianças que a assistiriam nas salas de aula e na filha de Sami, que queria ser uma gota de água. Pensou também nos longos filamentos da teia cósmica, com galáxias reunidas ao longo deles como gotas num fio de teia de aranha.

Ela escreveu para Sami: “Diga à sua filha que as galáxias também se juntam, como as gotas, mas muito devagar. A nossa galáxia já engoliu várias menores. E a maior parte do que mantém as galáxias unidas é algo invisível que ninguém identificou ainda. Talvez seja ela quem vai descobrir o que é.” Sami respondeu que a filha tinha pegado no sono, mas que ia contar para ela de manhã, e que tinha certeza de que ela ia perguntar o que significa “identificou”.

Talvez, no fim da sua própria semana, você também tenha um dia mais leve, com tarefas de casa de manhã e alguma coisa de que gosta à tarde. Num dia assim, se você servir um copo de água ou observar a chuva se juntando em gotas numa janela, talvez se lembre do longo e lento ajuntamento do universo. Coisas pequenas se juntam em coisas maiores. Parte do que as mantém unidas é fácil de ver. Parte, como muitas das coisas boas que mantêm as pessoas unidas, não pode ser vista de jeito nenhum.

Equívocos comuns

Muita gente pensa que a matéria escura é simplesmente matéria comum escura demais para ser vista, como poeira, nuvens escuras ou estrelas mortas. Os astrônomos procuraram essas coisas com cuidado. Elas existem, mas nem de longe em quantidade suficiente. Os primeiros minutos do universo e a luz mais antiga mostram que a quantidade total de matéria comum é pequena demais para explicar a gravidade extra. Então a maior parte da matéria escura deve ser outra coisa, provavelmente algo que não é feito de átomos.

Muita gente também supõe que os cientistas sabem o que é a matéria escura e simplesmente usam um nome misterioso para ela. Eles não sabem. Sabem quanto dela existe, mais ou menos onde ela está e como ela atrai. Mas do que ela é feita não foi descoberto, apesar de muitos anos de busca cuidadosa. A palavra “escura” no nome dela é uma admissão honesta. Quer dizer que vemos os seus efeitos, mas não conseguimos ver a coisa em si, e ainda não a entendemos.

Por fim, muita gente imagina que, quando duas galáxias colidem, as estrelas delas se chocam umas com as outras em grandes explosões. Na verdade, as estrelas quase nunca colidem, mesmo quando galáxias inteiras se fundem, porque o espaço entre as estrelas é imenso. Se o Sol fosse do tamanho de um grão de areia, a estrela mais próxima seria outro grão de areia a mais de dez quilômetros de distância. O encontro de verdade acontece entre as nuvens de gás, que podem ser comprimidas e formar novas estrelas, e essas novas estrelas, por sua vez, fazem novos elementos. Na próxima noite, vamos olhar dentro das estrelas e ver como elas fizeram os elementos do nosso próprio corpo.