• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: As galáxias sem matéria escura são realmente reais?

Alguns anos atrás, as primeiras galáxias livres de matéria escura foram anunciadas e imediatamente contestadas. Agora, há muitos para ignorar.

As galáxias, quando examinamos suas estrelas por dentro, variam de ultradifusas a ultracompactas, dependendo de onde suas estrelas estão localizadas. Embora algumas galáxias ultradifusas sejam ricas em matéria escura, agora descobrimos ambos os conjuntos independentes de galáxias ultradifusas sem matéria escura que se prevê existirem, mas apenas se a matéria escura for real. (Crédito: Sloan Digital Sky Survey, Telescópio Canadá-França-Havaí e equipe NGVS)

Principais conclusões

• Em quase todas as escalas do Universo, desde pequenas galáxias até as maiores escalas cósmicas, em todos os lugares há matéria normal, também há matéria escura.
• Mas uma classe de galáxias, as galáxias ultradifusas, não exibem as mesmas propriedades, com pelo menos algumas delas parecendo não precisar de matéria escura.
• A existência de galáxias livres de matéria escura provaria a existência da matéria escura, e a evidência agora é impossível de ignorar.

Quando olhamos para o Universo, o que vemos é certamente não o que recebemos. A esmagadora maioria do Universo, por várias razões, é invisível para nós, e não no sentido intuitivo. A maior parte da matéria que podemos ver – a matéria luminosa – vem na forma de estrelas, mas isso representa apenas uma pequena porcentagem da matéria normal baseada em átomos que existe. A maior parte da massa no Universo, conforme inferido de seus efeitos gravitacionais cumulativos, não pode nem ser matéria normal, mas deve ser algum tipo novo de matéria invisível: matéria escura, que supera a matéria normal em uma proporção de 5 para 1. E além disso, dois terços da energia total do Universo não é matéria, mas sim um novo tipo de energia que não se aglomera, aglomera ou gravita da maneira convencional: a energia escura.

E, no entanto, embora a maioria das galáxias, incluindo a nossa, tenha enormes quantidades de matéria escura, existem alguns valores discrepantes cósmicos. Inicialmente, o primeiro casal foi contestado, mas um estudo recente afirma ter descoberto seis novos que, tanto quanto podemos dizer, não têm matéria escura. Isso é, por falta de uma palavra melhor, real? E se sim, o que significa? Isso é o que Justin Briggs quer saber , Perguntando:

Ei, começa com um estrondo, é essa história] tão estranho quanto parece, ou apenas link isca?

A história a que ele se refere é a de não apenas uma galáxia sem matéria escura, mas seis, com base neste novo estudo revisado por pares e recentemente publicado . Há uma quantidade fascinante de ciência aqui, então vamos mergulhar para mostrar do que se trata.

Uma galáxia espiral como a Via Láctea gira como mostrado à direita, não à esquerda, indicando a presença de matéria escura. No entanto, a influência gravitacional de outras estrelas e remanescentes estelares perturbará o movimento de qualquer estrela individual, tornando as previsões de longo prazo praticamente impossíveis. ( Crédito : Ingo Berg/Wikimedia Commons; Agradecimento: E. Siegel)

Há uma quantidade esmagadora de evidências astrofísicas – embora evidências indiretas – que apoiam a existência de matéria escura no Universo. Para recapitular brevemente:

• Temos um grande conjunto de dados cósmicos – como o fundo cósmico de micro-ondas, a estrutura em grande escala do Universo e a relação redshift-distância – que nos ensina que aproximadamente um terço da energia total do Universo está na forma de matéria. .
• Apenas cerca de 5% da energia total do Universo pode estar na forma de matéria normal baseada em átomos, conforme confirmado pela abundância dos elementos leves antes da formação de qualquer estrela.

Além disso, vemos que a matéria normal sozinha não pode explicar os movimentos de:

• estrelas dentro de galáxias individuais
• nuvens de gás nos arredores das galáxias
• galáxias individuais dentro de aglomerados de galáxias gravitacionalmente ligados
• velocidades peculiares de pares de galáxias

Além disso, também temos evidências de matéria escura de lentes gravitacionais, incluindo, mais surpreendentemente, de aglomerados de galáxias em colisão, o que mostra que há muita massa gravitacional onde a matéria normal não .

Os mapas de raios-X (rosa) e de matéria geral (azul) de vários aglomerados de galáxias em colisão mostram uma clara separação entre a matéria normal e os efeitos gravitacionais, algumas das evidências mais fortes da matéria escura. Embora algumas das simulações que realizamos indiquem que alguns aglomerados podem estar se movendo mais rápido do que o esperado, as simulações incluem apenas a gravitação e outros efeitos como feedback, formação de estrelas e cataclismos estelares também podem ser importantes para o gás. Sem matéria escura, essas observações (juntamente com muitas outras) não podem ser suficientemente explicadas. ( Crédito : NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suíça; Universidade de Edimburgo, Reino Unido), R. Massey (Universidade de Durham, Reino Unido), T. Kitching (University College London, Reino Unido) e A. Taylor e E. Tittley (Universidade de Edimburgo, Reino Unido))

E, no entanto, todas essas observações, um quebra-cabeça para explicar por conta própria, imediatamente se alinham com uma história única, convincente e autoconsistente se adicionarmos um ingrediente ao Universo: uma forma de matéria maciça que se aglomera, gravita, e se move lentamente em comparação com a velocidade da luz, em cerca de cinco vezes a abundância de matéria normal. Chamamos isso de matéria escura, embora não seja realmente escura; coisas escuras absorvem luz e não emitem nenhuma, enquanto essa forma de matéria é realmente invisível, não interagindo com a luz ou colidindo com a matéria normal (ou ela mesma) de qualquer maneira discernível.

Quando examinamos os detalhes da teia cósmica e como as galáxias se formam e evoluem dentro dela, novamente, a matéria escura é absolutamente necessária. Mas há uma previsão de longa data que, por muitos anos, intrigou teóricos e observadores. Você vê, se a matéria escura existe, então cada aglomerado massivo no Universo, quando se forma pela primeira vez, deve consistir em matéria escura e matéria normal em aproximadamente a mesma proporção que a cósmica geral: cerca de uma proporção de 5 para 1 . À medida que o Universo evolui, no entanto, as coisas ficam confusas.

A matéria normal colide inelasticamente, se contrai, perde momento e momento angular e forma estrelas. A radiação de novas estrelas empurra a matéria normal para fora, mas não a matéria escura. As proto-galáxias interagem gravitacionalmente; a matéria normal é retirada de galáxias em movimento rápido em ambientes ricos em gás; ocorrem fusões; etc.

A teia cósmica que vemos, a estrutura de maior escala em todo o Universo, é dominada pela matéria escura. Em escalas menores, no entanto, os bárions podem interagir uns com os outros e com fótons, levando à estrutura estelar, mas também levando a eventos que podem separar a matéria escura da matéria normal. Surpreendentemente, a existência de estruturas livres de matéria escura confirma a necessidade de matéria escura em nosso Universo. ( Crédito : Ralf Kaehler/SLAC National Accelerator Laboratory)

Como resultado de tudo isso, esperamos três conjuntos de populações galácticas:

1. Galáxias grandes e massivas, com a mesma proporção geral de matéria escura para matéria normal que o cosmos em geral e as maiores estruturas de todas: aproximadamente 5 para 1.
2. Galáxias pequenas e menos massivas, onde coisas como a formação de estrelas ocorreram anteriormente, expelindo grande parte da matéria normal. Espera-se que essas galáxias tenham maiores proporções de matéria escura para matéria normal do que a média cósmica, onde os exemplos menores e de menor massa podem ter proporções de centenas para 1 ou até mais extremas.
3. Uma população rara de galáxias que se formam a partir da matéria normal que é completamente despojada de seus halos de matéria escura: galáxias pobres em matéria escura ou mesmo livres de matéria escura, onde a proporção de matéria escura para matéria normal é muito menor que 5 para 1, e pode até ser tão baixo quanto zero em algumas galáxias.

Por muito tempo, apenas os dois primeiros tipos de galáxias foram vistos. Além disso, a segunda população de galáxias parecia obedecer a uma correlação relativamente estreita: a relação bariônica Tully-Fisher , onde apenas o componente de matéria normal das galáxias era necessário para prever seu comportamento, independentemente da massa geral ou das proporções de matéria escura subjacentes.

Quando galáxias como a galáxia espiral à direita, D100, aceleram através de um ambiente rico, o atrito com o ambiente pode causar desprendimento de gás, levando à formação de estrelas e aumentando a proporção de matéria escura para matéria normal da galáxia hospedeira. Alguns desses aglomerados estelares despojados que se formam, seguindo a galáxia, poderiam mais tarde se reorganizar em uma galáxia própria livre de matéria escura. ( Crédito : NASA, ESA, M. Sun (Universidade do Alabama) e W. Cramer e J. Kenney (Universidade de Yale))

Detratores da matéria escura apontaram para isso como evidência de que o paradigma da matéria escura deve estar incorreto, mas a maioria dos pesquisadores teve uma opinião diferente sobre isso. Ou essas galáxias estavam lá fora, mas fracas e difíceis de caracterizar, ou a maioria delas se formou perto de outras galáxias grandes e massivas, que as separariam em escalas de tempo curtas em relação à idade do Universo.

Uma das coisas notáveis ​​sobre esses cenários é que eles são extremamente diferentes um do outro, e isso se presta a um teste observacional. Se a matéria escura está incorreta como um paradigma geral, então as propriedades de cada galáxia devem ser determinadas apenas pela presença, abundância e distribuição da matéria normal. Por outro lado, se existe matéria escura, devemos ser capazes de procurar duas classes de galáxias que não foram identificadas antes. Se existissem, apoiariam a existência de matéria escura no cosmos; caso contrário, sua ausência colocaria em questão o ponto de vista de que o Universo contém grandes quantidades de matéria escura, justificando as dúvidas levantadas pelos contrários da comunidade.

Muitas galáxias próximas, incluindo todas as galáxias do grupo local (principalmente agrupadas na extrema esquerda), exibem uma relação entre sua dispersão de massa e velocidade que indica a presença de matéria escura. NGC 1052-DF2 é a primeira galáxia conhecida que parece ser feita apenas de matéria normal, e mais tarde se juntou a DF4 no início de 2019. Galáxias como Segue 1 e Segue 3, no entanto, estão muito altas e agrupadas à esquerda desta gráfico; estas são as galáxias mais ricas em matéria escura conhecidas: as menores e de menor massa. ( Crédito : S. Danieli et al., ApJL, 2019)

Uma população de galáxias que deveria existir seriam galáxias satélites pequenas e difusas encontradas nas proximidades de galáxias maiores. Essas galáxias devem ter uma vida relativamente curta, então devemos ser capazes de testemunhar sua destruição através de interações gravitacionais e de maré de fora olhando para dentro. Essas galáxias seriam fracas e baixas em massa geral e brilho geral, então teríamos que pesquisar a vizinhança local com muito cuidado para ter certeza de que as estamos encontrando e caracterizando adequadamente. Além disso, podemos até encontrar correntes estelares emanando dessas galáxias: evidência de que elas estão em processo de separação.

A segunda população que deveria existir seriam galáxias maiores, mais massivas, mas relativamente isoladas que tiveram sua matéria escura retirada há muito tempo. Essas galáxias também devem ser raras, mas como existem muitos tipos de interações que podem separar a matéria normal da matéria escura, é razoável esperar que parte dessa matéria normal permaneça aglomerada e gravitacionalmente ligada. Com o tempo, se fosse suficientemente isolado de outros objetos massivos, poderia persistir, levando a uma nova população de galáxias de campo que eram fracas, difusas e quase completamente desprovidas de matéria escura.

A primeira galáxia detectada que suporta sua existência sem matéria escura, NGC 1052-DF2, é mostrada aqui como fotografada pelo Hubble. A imagem de acompanhamento foi feita para determinar se estava gravitacionalmente conectado a NGC 1052, a ~ 64 milhões de anos-luz de distância, ou NGC 1042, muito mais próximo a 42 milhões de anos-luz de distância. A determinação foi de 72 milhões de anos-luz com uma incerteza de apenas alguns por cento e, portanto, não pode ter uma quantidade normal de matéria escura. ( Crédito : Z. Shen et al., ApJ, 2021)

Apenas alguns anos atrás, os dois primeiros exemplos de galáxias candidatas que se enquadravam na primeira categoria foram descobertos. (Ou mais precisamente, já que eram conhecidas anteriormente, elas foram caracterizadas.) Há uma região do céu que possui três galáxias relativamente grandes e massivas: NGC 1052, NGC 1042 e NGC 1035, todas bem separadas umas das outras. Enquanto procura por galáxias usando o Matriz de telefoto da libélula , uma equipe liderada por Shany Danieli e Pieter van Dokkum de Yale descobriu e caracterizou uma série de pequenas galáxias satélites que pareciam estar ligadas a NGC 1052, uma grande galáxia elíptica. Importante, duas delas eram galáxias anãs ultra-difusas , e eles pareciam não ter a matéria escura que se esperava encontrar dentro deles. Apelidados de NGC 1052-DF2, descoberto em 2018, e NGC 1052-DF4, encontrado no ano seguinte em 2019, eles imediatamente desencadearam uma tempestade de pesquisas.

Essas galáxias poderiam ser explicado com MODified Newtonian Dynamics em vez de como uma galáxia sem matéria escura? estávamos medindo a distância das galáxias anãs incorretamente? Eles estavam realmente associados a uma das outras galáxias localizado quase na mesma linha de visão: NGC 1042 ou NGC 1035? Poderia a galáxia hospedeira, NGC 1052, realmente ser deficiente em matéria escura ?

Como observações de acompanhamento com um instrumento superior — o Telescópio Espacial Hubble — mostrou, a resposta para todas essas perguntas é não. A dispersão da velocidade é muito baixa e a distância para essas galáxias é muito grande; eles realmente têm estrelas de movimento lento e extremamente pequenas, e possivelmente nenhuma, matéria escura em seu interior.

A galáxia NGC 1052-DF4, uma das duas galáxias satélites de NGC 1052 determinada como sendo desprovida de matéria escura internamente, mostra evidências de ter sido rompida por maré; um efeito mais facilmente visto no painel à direita, uma vez que as fontes de luz circundantes são modeladas e removidas com precisão. É improvável que galáxias como essa vivam por muito tempo em ambientes ricos sem matéria escura para mantê-las unidas. ( Crédito : M. Montes et al., ApJ, 2020)

Além disso, uma dessas galáxias, NGC 1052-DF4, está atualmente passando por maré ruptura: evidência de que as forças gravitacionais das galáxias vizinhas maiores e mais massivas estão no processo de separá-la. Está sendo cortado e triturado de fora para dentro, o que significa que as partes externas mais tênues estão sendo ejetadas primeiro. À medida que a galáxia perde sua massa, ela evoluiu para se tornar mais difusa, e até mesmo os componentes estelares começam a ser ejetados em correntes de maré. O fato de que uma pequena corrente de maré foi observada agora pode ser uma dica: talvez essas galáxias sejam apenas livres de matéria escura agora; talvez antes, eles tivessem quantidades normais de matéria escura e, talvez, no futuro, eles sejam completamente dilacerados.

Mas e essa segunda população de galáxias esperadas: as maiores e mais massivas sem matéria escura que podem persistir se estiverem suficientemente isoladas de outras galáxias grandes e massivas?

Isto é – voltando à questão original – onde o novo estudo que está sendo divulgado na mídia popular entra em cena. Liderados por Pavel E. Mancera Piña e publicado no Astrophysical Journal Letters em 2019 (honestamente, não tenho ideia de por que de repente se tornou popular agora?), eles identificam seis galáxias independentes, todas suficientemente isoladas das outras, com grandes reservatórios de gás hidrogênio neutro. Eles são todos difusos, massivos e, o mais importante, suas estrelas se movem com movimentos internos muito, muito lentos, consistentes com a ausência de matéria escura em seu interior.

Em uma ampla gama de massas, as galáxias caíram ao longo de uma relação chamada relação bariônica de Tully-Fisher, onde a velocidade de rotação observada/inferida era determinada apenas pela matéria normal, independentemente da matéria escura. A existência de uma população de galáxias que não seguem essa regra fornece fortes evidências de uma população fundamentalmente diferente: um conjunto de galáxias sem matéria escura, seguindo a linha cinza. ( Crédito : EDUCAÇAO FISICA. Mancera Piña et al., ApJL, 2019)

Isto é, se se mantiver, absolutamente inovador. Cada uma das seis galáxias, no seu conjunto, são todas:

• cerca de 300 milhões de anos-luz de distância
• rico em gás hidrogênio neutro, com mais de um bilhão de massas solares desse gás em cada galáxia
• têm suas estrelas orbitando muito lentamente em torno do centro; cerca de um décimo da velocidade das estrelas na Via Láctea
• não têm galáxias vizinhas detectáveis ​​a mais de um milhão de anos-luz (~350 kpc) de cada uma

Os métodos utilizados pelos autores do artigo são completamente padrão no campo. Nenhuma delas está de lado ou de frente, eliminando um potencial erro sistemático, e três galáxias adicionais que também mostram o mesmo efeito foram excluídas deste estudo porque os dados sobre elas não eram tão puros.

Em outras palavras, essas são detecções padrão-ouro e voam contra várias alternativas de matéria escura. Talvez o mais importante, quando você pega essas seis galáxias livres de matéria escura e as observa ao lado de NGC 1052-DF2 e NGC 1052-DF4 (comumente abreviadas para DF2 e DF4 na literatura), você pode ver que ambas as populações de galáxias são consistentes com não conter matéria escura e entre si.

Quando comparadas com galáxias que parecem ser ricas em matéria escura, seguindo a linha pontilhada na parte inferior, podemos ver que galáxias como DF2 e DF4, à esquerda, assim como galáxias mais massivas encontradas isoladamente, com estrelas laranja, ambas parecem ter pouca, e possivelmente até nenhuma, matéria escura. Essas galáxias sem matéria escura, ou galáxias sem matéria escura, não podem coexistir com as ricas em matéria escura, a menos que exista matéria escura. ( Crédito : EDUCAÇAO FISICA. Mancera Piña et al., ApJL, 2019)

Os cientistas, você deve entender, são um grupo notoriamente cético. Convencer a esmagadora maioria de qualquer subcampo da ciência de que as coisas são de uma maneira específica só ocorre quando a evidência de apoio também é esmagadora. Embora as evidências astrofísicas a favor da matéria escura tenham chegado a esse ponto há muito tempo, devemos sempre lembrar que testar continuamente nossas suposições e coletar mais e melhores dados sobre o Universo é a única maneira pela qual a ciência pode continuar avançando. Assim que decidimos que já sabemos tudo o que há para saber, estamos certos. No momento em que paramos de fazer perguntas e investigar as aparentes lacunas em nossa compreensão, perdemos a oportunidade de descobrir algo novo.

Aqueles que tentam explicar o Universo sem matéria escura agora têm um obstáculo adicional a enfrentar: uma previsão de matéria escura que há muito não era verificada, de que galáxias explicáveis ​​apenas por sua matéria normal deveriam existir, finalmente se concretizou. Não apenas isso, mas ambos os tipos de galáxias que se prevê existirem – galáxias satélites que não viverão por muito tempo e grandes galáxias que podem persistir por bilhões de anos isoladas – já foram encontrados, com vários exemplos de cada. É uma bela história de sucesso para a matéria escura e mais uma peça do quebra-cabeça cósmico que parece ter se encaixado perfeitamente.

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Neste artigo Espaço e Astrofísica

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