Pergunte a Ethan: Qual é a verdadeira história por trás desta galáxia livre de matéria escura?

Esta grande galáxia de aparência difusa é tão difusa que os astrônomos a chamam de galáxia transparente porque podem ver claramente galáxias distantes atrás dela. O objeto fantasmagórico, catalogado como NGC 1052-DF2, não possui uma região central perceptível, nem mesmo braços espirais e um disco, características típicas de uma galáxia espiral. Mas também não parece uma galáxia elíptica, pois sua dispersão de velocidade está errada. Mesmo seus aglomerados globulares são excêntricos: eles são duas vezes maiores que os agrupamentos estelares típicos vistos em outras galáxias. Todas essas esquisitices empalidecem em comparação com o aspecto mais estranho desta galáxia: NGC 1052-DF2 é muito controversa por causa de sua aparente falta de matéria escura. Isso poderia resolver um enorme quebra-cabeça cósmico. (NASA, ESA E P. VAN DOKKUM (UNIVERSIDADE DE YALE))



O mistério foi realmente resolvido? Duvidoso. A verdadeira ciência vai muito mais fundo.


Talvez no último ano, uma pequena galáxia localizada não muito longe tenha cativado a atenção dos astrônomos. A galáxia NGC 1052-DF2, um satélite da maior NGC 1052, parece ser a primeira galáxia já descoberta que não mostra evidências de matéria escura . Paradoxalmente, isso tem sido relatado como evidência indiscutível de que matéria escura deve existir ! Agora, uma nova equipe saiu com um resultado que afirma esta galáxia não pode ser desprovida de matéria escura , e Yann Guidon quer saber o que realmente está acontecendo, perguntando:



Li um estudo que dizia que o mistério de uma galáxia sem matéria escura foi resolvido. Mas eu pensei que esta galáxia anômala foi anteriormente apresentada como evidência de matéria escura? O que realmente está acontecendo aqui, Ethan?



Temos que ser extremamente cuidadosos aqui e dissecar as descobertas das diferentes equipes com todas as implicações corretamente sintetizadas. Vamos começar.

O campo Dragonfly completo, aproximadamente 11 graus quadrados, centrado em NGC 1052. O zoom mostra os arredores imediatos de NGC 1052, com NGC1052–DF2 destacado na inserção. Este é o Extended Data Figure 1 da publicação que anuncia a descoberta do DF2. (P. VAN DOKKUM ET AL., NATUREZA VOLUME 555, PÁGINAS 629–632 (29 DE MARÇO DE 2018))



Sempre que você tem uma galáxia no Universo e quer saber quanta massa está dentro, você tem duas maneiras de abordar o problema. A primeira maneira é confiar na astronomia para lhe dar a resposta.



Astronomicamente, há uma série de observações que podemos fazer para nos ensinar sobre o conteúdo de matéria de uma galáxia. Podemos olhar em uma infinidade de comprimentos de onda de luz para determinar a quantidade total de luz estelar presente e inferir a quantidade de massa presente nas estrelas. Da mesma forma, podemos fazer observações adicionais de gás, poeira e absorção e emissão de radiação para inferir a quantidade total de matéria normal presente. Fizemos isso para galáxias suficientes por tempo suficiente para que simplesmente medir algumas propriedades básicas pode nos levar a inferir a matéria bariônica total (feita de prótons, nêutrons e elétrons) dentro de uma galáxia.

A curva de rotação estendida de M33, a galáxia Triangulum. Essas curvas de rotação de galáxias espirais inauguraram o conceito astrofísico moderno de matéria escura para o campo geral. A curva tracejada corresponderia a uma galáxia sem matéria escura, que representa menos de 1% das galáxias. Enquanto as observações iniciais da dispersão de velocidade, através de aglomerados globulares, indicaram que NGC 1052-DF2 era um deles, observações mais recentes colocam essa conclusão em dúvida. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS STEFANIA.DELUCA)



Por outro lado, existem medições gravitacionais adicionais que podemos fazer que nos ensinarão sobre a quantidade total de massa presente em uma galáxia, independentemente do tipo de matéria (normal, bariônica ou matéria escura) que vemos. Ao medir os movimentos das estrelas em seu interior, seja através da ampliação direta da linha em diferentes raios ou através da dispersão da velocidade de toda a galáxia, podemos obter um valor específico para a massa total. Além disso, podemos observar a dispersão de velocidade dos aglomerados globulares que orbitam uma galáxia para obter uma segunda medida complementar e independente da massa total.

Na maioria das galáxias, os dois valores para o conteúdo de matéria medido/inferido diferem por um fator de 5 a 6, indicando a presença de quantidades substanciais de matéria escura. Mas algumas galáxias são especiais.



De acordo com modelos e simulações, todas as galáxias deveriam estar embutidas em halos de matéria escura, cujas densidades atingem os centros galácticos. Em escalas de tempo suficientemente longas, de talvez um bilhão de anos, uma única partícula de matéria escura dos arredores do halo completará uma órbita. Os efeitos do gás, feedback, formação de estrelas, supernovas e radiação complicam esse ambiente, tornando extremamente difícil extrair previsões universais de matéria escura. (NASA, ESA E T. BROWN E J. TUMLINSON (STSCI))



De uma perspectiva teórica, sabemos como as galáxias devem se formar. Sabemos que o Universo deveria começar governado pela Relatividade Geral, nossa lei da gravidade. Deve ter aproximadamente uma mistura de 5 para 1 de matéria escura com matéria normal, e deve começar quase perfeitamente uniforme, com regiões subdensas e superdensas aparecendo no nível de 1 parte em 30.000. Dê tempo ao Universo, e deixe-o evoluir, e você formará estruturas onde as regiões superdensas estavam em pequenas, médias e grandes escalas, com vastos vazios cósmicos se formando entre elas, nas regiões inicialmente subdensas.

Em grandes galáxias, comparáveis ​​ao tamanho da Via Láctea ou maiores, muito pouco será capaz de alterar essa proporção de matéria escura para matéria normal. A quantidade total de gravidade geralmente será grande demais para qualquer tipo de matéria escapar, a menos que acelere rapidamente através de um meio rico em gás capaz de remover a matéria normal.



Um composto de Hubble (luz visível) e Chandra (raios-X) da galáxia ESO 137–001 enquanto ela acelera através do meio intergaláctico em um rico aglomerado de galáxias, ficando despojado de estrelas e gás, enquanto sua matéria escura permanece intacta. (NASA, ESA, CXC)

Mas para galáxias menores, podem ocorrer processos interessantes que são de vital importância para essa proporção de matéria normal (que determina as propriedades astronômicas) para matéria escura (que, combinada com a matéria normal, determina as propriedades gravitacionais).



Quando a maioria das galáxias pequenas e de baixa massa se forma, o ato de formar estrelas é um ato de violência contra toda a outra matéria interna. Radiação ultravioleta, cataclismos estelares (como supernovas) e ventos estelares aquecem a matéria normal. Se o aquecimento for forte o suficiente e a massa da galáxia for baixa o suficiente, enormes quantidades de matéria normal (na forma de gás e plasma) podem ser ejetadas da galáxia. Como resultado, muitas galáxias de baixa massa exibirão proporções de matéria escura para matéria normal muito superiores a 5 para 1, com algumas das galáxias de menor massa atingindo proporções de centenas para 1.

Apenas cerca de 1.000 estrelas estão presentes na totalidade das galáxias anãs Segue 1 e Segue 3, que tem uma massa gravitacional de 600.000 sóis. As estrelas que compõem o satélite anão Segue 1 estão circuladas aqui. Se a nova pesquisa estiver correta, a matéria escura obedecerá a uma distribuição diferente dependendo de como a formação estelar, ao longo da história da galáxia, a aqueceu. A proporção de matéria escura para matéria normal de quase 1000 para 1 é a maior proporção já vista na direção favorável à matéria escura. (OBSERVATÓRIOS MARLA GEHA E KECK)

Mas há outro processo que pode surgir, em raras ocasiões, para produzir galáxias com quantidades muito pequenas ou mesmo, em teoria, sem quantidade de matéria escura. Quando galáxias maiores se fundem, elas podem produzir um fenômeno extremo conhecido como starburst: onde toda a galáxia se torna uma enorme região de formação de estrelas.

O processo de fusão, juntamente com essa formação estelar, pode transmitir enormes forças e velocidades de maré a algumas das matérias normais que estão presentes. Em teoria, isso poderia ser poderoso o suficiente para arrancar quantidades substanciais de matéria normal das principais galáxias em fusão, formando galáxias menores que terão muito menos matéria escura do que a proporção típica de 5 para 1 de matéria escura para matéria normal. Em alguns casos extremos, isso pode até criar galáxias feitas apenas de matéria normal. Em torno de grandes galáxias dominadas por matéria escura, pode haver outras menores que são totalmente livres de matéria escura.

Uma década atrás, havia um pequeno número de cientistas que afirmavam que a falta observada dessas galáxias livres de matéria escura era uma clara falsificação do paradigma da matéria escura. A esmagadora maioria dos cientistas respondeu com alegações de que essas galáxias deveriam ser raras, fracas e que não era surpresa que ainda não as tivéssemos observado. Com mais dados, melhores observações e instrumentação e técnicas superiores, pequenas galáxias com pequenas quantidades de matéria escura, ou mesmo nenhuma, devem emergir.

No ano passado, uma equipe de pesquisadores de Yale anunciou a descoberta da galáxia NGC 1052-DF2 (DF2 para abreviar), uma galáxia satélite da grande galáxia NGC 1052, que parecia não ter matéria escura. Quando os cientistas olharam para os aglomerados globulares orbitando DF2, eles descobriram que a dispersão da velocidade era extremamente pequena: pelo menos um fator de 3 abaixo das velocidades previstas de ± 30 km/s, o que teria correspondido a essa proporção típica de 5 para 1 .

O espectro KCWI da galáxia DF2 (em preto), tirado diretamente do novo artigo em arXiv:1901.03711, com os resultados anteriores de uma equipe concorrente usando o MUSE sobreposto em vermelho. Você pode ver claramente que os dados do MUSE são de resolução mais baixa, borrados e inflados artificialmente em comparação com os dados do KCWI. O resultado é uma dispersão de velocidade artificialmente grande inferida pelos pesquisadores anteriores. (SHANY DANIELI (COMUNICAÇÃO PRIVADA))

Cerca de 8 meses depois, outra equipe, usando um instrumento diferente (em vez do único instrumento Dragonfly usado pela equipe de Yale), argumentou que as estrelas, em vez dos aglomerados globulares, deveriam ser usadas para determinar a massa da galáxia. Usando seus novos dados , eles encontraram uma dispersão de velocidade equivalente de ± 17 km/s, cerca de duas vezes maior do que a equipe de Yale havia medido.

Destemida, a equipe de Yale fez uma medição ainda mais precisa das estrelas em DF2 usando o instrumento KCWI atualizado e voltou e mediu os movimentos dos aglomerados globulares que orbitam mais uma vez. Com um instrumento superior, eles obtiveram um resultado com barras de erro muito menores , e ambas as técnicas concordaram. Da dispersão de velocidade estelar, obtiveram um valor de ±8,4 km/s, com os globulares dando ±7,8 km/s. Pela primeira vez, parecia que realmente tínhamos encontrado uma galáxia livre de matéria escura.

As previsões (barras verticais) para quais deveriam ser as dispersões de velocidade se a galáxia contivesse uma quantidade típica de matéria escura (direita) versus nenhuma matéria escura (esquerda). O Emsellem et ai. o resultado foi obtido com o instrumento MUSE insuficiente; os dados mais recentes de Danieli et al. foi tirada com o instrumento KCWI e fornece a melhor evidência até agora de que esta é realmente uma galáxia sem matéria escura. (DANIELI ET AL. (2019), ARQUIVO: 1901.03711)

Mas talvez algo estivesse errado. Quando os cientistas estão realmente engajados na boa ciência, eles tentam pegar qualquer hipótese, novo resultado ou descoberta inesperada e fazer buracos nela. Eles tentarão derrubá-lo, desacreditá-lo ou encontrar uma falha fatal no resultado sempre que possível. Somente os resultados mais robustos e bem examinados se sustentarão e serão aceitos; as controvérsias são mais quentes quando um novo resultado ameaça decidir a questão de uma vez por todas.

A última tentativa de derrubar os resultados do DF2 vem de um grupo do Instituto de Astrofísica das Ilhas Canárias (IAC) liderado por Ignacio Trujillo . Usando uma nova medição de DF2, sua equipe afirma que a galáxia está realmente mais próxima do que se pensava anteriormente: 42 milhões de anos-luz em vez de 64 milhões. Isso significaria que não é um satélite de NGC 1052, mas sim uma galáxia cerca de 22 milhões de anos-luz mais perto, em primeiro plano cósmico.

A galáxia ultra-difusa KKS2000]04 (NGC1052-DF2), em direção à constelação de Cetus, foi considerada uma galáxia completamente desprovida de matéria escura. Os resultados de Trujillo et al. contestam isso, alegando que a galáxia está muito mais próxima e, portanto, tem uma relação massa-luminosidade diferente (e uma dispersão de velocidade diferente) do que se pensava anteriormente. Isso é extremamente controverso. (TRUJILLO ET AL. (2019))

Isso pode mudar drasticamente a história. A distância de uma galáxia é extremamente importante para o brilho intrínseco que você infere, que por sua vez informa quanta matéria deve estar presente na forma de estrelas. Se a galáxia estiver muito mais próxima do que se pensava anteriormente, na verdade há mais massa presente e a dispersão da velocidade inferida será maior, indicando a necessidade de matéria escura, afinal.

Caso encerrado, certo?

Nem mesmo perto. Primeiro, DF2 não é mais a única galáxia que exibe esse efeito; há outro satélite de NGC 1052 (conhecido como DF4) que exibe a mesma natureza livre de matéria escura , então ambos teriam que ter suas distâncias mal estimadas. Em segundo lugar, mesmo que estejam na distância mais próxima preferida por Trujillo et al. equipe, que ainda renderiza DF2 e DF4 ambas galáxias de matéria escura extremamente baixa, o que ainda necessita de um mecanismo para separar a matéria normal da matéria escura. E terceiro, a equipe de Yale havia publicado anteriormente (em agosto) uma medição de distância sem calibração para a galáxia, a partir de flutuações de brilho da superfície, inconsistente em 3,5 sigma com os resultados de Trujillo.

A galáxia NGC 1052-DF2 foi fotografada em grande detalhe pelo instrumento espectrógrafo KCWI a bordo do W.M. Keck em Mauna Kea, permitindo aos cientistas detectar os movimentos de estrelas e aglomerados globulares dentro da galáxia com precisão sem precedentes. (DANIELI ET AL. (2019), ARQUIVO: 1901.03711)

Em outras palavras, mesmo que as estimativas de distância de Trujillo et al. estão corretas, o que provavelmente não são, essas galáxias são extremamente baixas em matéria escura, com DF4 possivelmente ainda sendo livre de matéria escura. Nenhuma das equipes ainda observou esta galáxia com o Telescópio Espacial Hubble, mas isso fornecerá a estimativa de distância mais inequívoca. Observações subsequentes do DF4 com o Hubble estão programadas para o final de 2019, o que deve ajudar a esclarecer essa ambiguidade.

Uma curta distância para essas galáxias não resolve realmente a questão central: que elas têm muito menos matéria escura, não importa como você a massageie, do que uma proporção ingênua e convencional de matéria escura para matéria normal indicaria. Somente se a matéria escura é real e experimenta física diferente em ambientes de formação de estrelas e colisões do que a matéria normal, galáxias como DF2 ou DF4 podem existir.

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. (DANIELI ET AL. (2019), ARQUIVO: 1901.03711)

A única conclusão, se você não aprender mais nada, é esta: esse novo resultado não resolve nada. Fique atento, porque mais e melhores dados estão chegando. Essas galáxias são provavelmente extremamente baixas em matéria escura e possivelmente totalmente livres de matéria escura. Se os resultados iniciais da equipe de Yale se mantiverem, essas galáxias devem ser fundamentalmente diferentes em composição de todas as outras galáxias que já encontramos.

Se todas as galáxias seguem as mesmas regras subjacentes, apenas suas composições podem diferir. A descoberta de uma galáxia livre de matéria escura, se esse resultado se confirmar, é uma evidência extremamente forte de um Universo rico em matéria escura. Fique de olhos abertos para mais novidades sobre DF2 e DF4, pois essa história está longe de terminar.


Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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