A matéria escura fria é aquecida pelas estrelas, mesmo que não possa 'senti-las'
A formação da estrutura cósmica, tanto em grande quanto em pequena escala, é altamente dependente de como a matéria escura e a matéria normal interagem. Apesar da evidência indireta de matéria escura, adoraríamos poder detectá-la diretamente, algo que só pode acontecer se houver uma seção transversal diferente de zero entre a matéria normal e a matéria escura. (COLABORAÇÃO DISTINTA / SIMULAÇÃO FAMOSA)
Se a matéria escura não interage com a matéria normal ou a luz, como ela pode ser aquecida?
Um dos grandes mistérios cósmicos do nosso tempo é a presença e existência da matéria escura. Ao contrário da matéria normal, que é feita de partículas conhecidas que podem emitir, absorver ou interagir com a luz e outras partículas conhecidas, a matéria escura simplesmente passa por si mesma e por todo o resto. É completamente invisível, até onde sabemos, exceto por um efeito: parece ter uma massa gravitacional. Afeta a curvatura do espaço-tempo e mantém juntas galáxias, aglomerados de galáxias e a grande teia cósmica.
Quando executamos nossas simulações, no entanto, obtemos previsões muito específicas para as estruturas que a matéria escura deve formar. A teia cósmica se alinha, mas as escalas galácticas menores não. Há muito apontado como o maior problema para a matéria escura fria, os cientistas descobriram a solução: a matéria escura é aquecida pelas estrelas. Aqui está a história de como isso acontece.
Nas altas temperaturas alcançadas no Universo muito jovem, não apenas partículas e fótons podem ser criados espontaneamente, com energia suficiente, mas também antipartículas e partículas instáveis, resultando em uma sopa primordial de partículas e antipartículas. Embora as partículas normais de matéria e antimatéria possam colidir entre si e com a radiação, as partículas de matéria escura devem simplesmente passar umas pelas outras sem interagir. (LABORATÓRIO NACIONAL DE BROOKHAVEN)
Imagine o Universo como poderia ter sido nos estágios iniciais após o Big Bang. É quente, denso e cheio de matéria e radiação. Só que, em vez das partículas em que você pode pensar exclusivamente – as partículas subatômicas que compõem os átomos, por exemplo – há cinco vezes mais matéria escura. Nesses primeiros tempos, partículas de matéria normal colidem umas com as outras e em fótons, mas a matéria escura passa por tudo, recusando-se a colidir.
É como se a matéria escura fosse 100% permeável: matéria normal passa por ela, antimatéria passa por ela, fótons passam por ela, até mesmo outras partículas de matéria escura passam por ela. É apenas porque a matéria escura é fria, ou se move muito lentamente em comparação com a velocidade da luz, que ela pode eventualmente se reunir em aglomerados gravitacionais. Com o tempo, ele faz exatamente isso, puxando a matéria normal para os poços gravitacionais que criou nos primeiros tempos.
As observações em maior escala no Universo, desde o fundo cósmico de micro-ondas até a teia cósmica, aglomerados de galáxias e galáxias individuais, todas requerem matéria escura para explicar o que observamos. A estrutura de grande escala exige isso, mas as sementes dessa estrutura, do Fundo Cósmico de Microondas, também exigem. (CHRIS BLAKE E SAM MOORFIELD)
O que temos, então, é um Universo povoado com regiões do espaço contendo distribuições esferoidais de matéria: normais e escuras. Com o tempo, a matéria normal colidirá com outras partículas de matéria normal e se unirá, formando moléculas, nuvens de gás e liberando radiação. A matéria normal, baseada em átomos, afundará no centro de cada uma dessas regiões, onde normalmente formará uma forma rotativa semelhante a um disco: o que conhecemos como uma galáxia.
Enquanto isso, a matéria escura é incapaz de fazer tal coisa. Permanece em um grande halo difuso ao redor da própria galáxia. Isso deve ser independente do tamanho ou escala da galáxia, como mostram as simulações. Independentemente da massa da galáxia em geral, deve haver um halo de matéria escura se estendendo para o espaço por um fator de dez ou mais sobre o próprio disco. Isso é verdade para galáxias do tamanho da Via Láctea, maiores e até pequenas galáxias anãs.
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))
Esta é a imagem padrão: uma que tem sido a pedra angular da astrofísica moderna por mais de 20 anos. Mas, recentemente, observações de galáxias anãs – galáxias entre 0,1% e 1% da massa da nossa própria galáxia – mostraram que essa ideia de um perfil de matéria escura universal não se encaixa muito bem nos dados. Em particular, muitas dessas galáxias mostram evidências de que há menos matéria escura no interior dessas galáxias, ou em seus núcleos centrais, do que essas simulações predizem.
Se executarmos nossas simulações de uma galáxia apenas com matéria escura, esse não pode ser o caso. Mas se pegarmos o que já sabemos:
- que a matéria escura não interage consigo mesma ou com a matéria normal ou radiação,
- que a matéria normal pode interagir consigo mesma e com a radiação, mas não a matéria escura,
- e que a matéria normal e a matéria escura podem se comunicar através da força gravitacional,
uma possível solução parece surgir.
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. (OBSERVATÓRIOS MARLA GEHA E KECK)
A maneira de pensar sobre isso é visualizar o que está acontecendo com a matéria normal no centro desta galáxia quando ela forma um grande número de novas estrelas. O gás presente se contrai, cria novas estrelas de uma variedade de massas e começa a experimentar a radiação que emana das estrelas jovens que se formaram recentemente.
São as estrelas mais quentes e massivas que emitem mais radiação, e essas estrelas também emitem partículas de matéria. Esses ventos estelares trabalham para empurrar gás e poeira para longe do centro da galáxia, dando-lhe um impulso de energia cinética. Toda essa matéria normal se concentrou no núcleo da galáxia, e essa nova e importante explosão de formação estelar trabalhou para afastá-la. O centro da galáxia agora tem menos matéria – isto é, matéria normal – do que antes.
Galáxias que passam por explosões massivas de formação de estrelas podem ofuscar galáxias ainda muito maiores e típicas. M82, a Galáxia do Charuto, está interagindo gravitacionalmente com seu vizinho (não retratado), causando essa explosão de nova formação estelar ativa, que expele gás de sua região central. Os efeitos dos ventos estelares são claramente visíveis em vermelho. (NASA, ESA E A EQUIPE HUBBLE HERITAGE (STSCI/AURA))
O que acontece depois?
Bem, pense no que aconteceria com os planetas do Sistema Solar se você removesse uma grande quantidade de massa do Sol. É essa grande massa central que os mantém em suas órbitas estáveis e quase circulares. Se a massa aumentasse, eles espiralariam para dentro; se a massa diminuísse, eles espiralariam para fora.
Quando as galáxias formam estrelas, é como se a região central perdesse massa, o que faz com que toda a matéria ao seu redor sinta uma atração gravitacional menor. Sim, a matéria normal é expelida por causa da radiação, ventos e pressão. Uma vez que isso sai do centro, porém, toda a matéria presente – normal e escura – tem menos força gravitacional para mantê-la no lugar. O único recurso é mover-se para uma órbita mais alta e menos apertada.
Em qualquer sistema em órbita, é o valor da massa central e interior que mantém os objetos em uma órbita elíptica constante. Se a massa no centro diminuir, as órbitas das partículas internas irão espiralar para fora, para distâncias cada vez maiores, impactando ainda mais a quantidade de massa nas regiões centrais. (AMANDA SMITH, UNIVERSIDADE DE CAMBRIDGE)
Esse efeito é conhecido como aquecimento da matéria escura. Não é que qualquer radiação das estrelas ou qualquer calor da matéria normal esteja sendo transferido para a própria matéria escura; não envolve transferência direta de temperatura ou energia.
Em vez disso, o que está acontecendo é que a energia adicional transmitida à matéria normal a está expulsando de onde antes estava mais concentrada: no centro galáctico. Uma vez que a matéria normal é removida do centro galáctico, há menos massa lá para manter a matéria escura no lugar, e ela também precisa se mover para uma órbita mais alta e menos apertada. Como a matéria escura é empurrada para uma órbita mais alta e mais energética, ela tem os mesmos efeitos como se a matéria escura recebesse uma explosão extra de energia. Na verdade, não está mais quente do que antes, mas os efeitos são idênticos.
Uma enorme região de formação de estrelas na galáxia anã UGCA 281, fotografada pelo Hubble no visível e no ultravioleta, como parte da pesquisa LEGUS. A luz azul é a luz das estrelas quentes e jovens refletidas no fundo, gás neutro, enquanto as manchas mais brilhantes indicam a maior emissão de luz UV. As porções vermelhas, no entanto, são evidências de gás hidrogênio ionizado, que emite um brilho vermelho característico à medida que os elétrons se combinam com os prótons livres. O gás está sendo expelido desta região devido aos ventos estelares das estrelas jovens mais quentes. (NASA, ESA E EQUIPE LEGUS)
Ao longo de suas vidas, galáxias de todos os tipos experimentam vários ciclos de gás fluindo para dentro e para fora das regiões centrais. Quando as concentrações de gás atingem um nível muito alto, podem desencadear a formação de novas estrelas; quando as concentrações de gás atingem um nível baixo, a formação de novas estrelas é impossível.
Então, o que isso significa para as galáxias anãs que você realmente encontraria, se essa ideia estiver correta?
Isso significa que se uma galáxia tivesse apenas algumas pequenas explosões de formação estelar central, a matéria escura no núcleo não teria se aquecido muito. A maior parte ainda estaria presente. Você esperaria um valor relativamente alto de matéria escura nos centros de galáxias anãs que tinham muito pouca história de formação de estrelas em seus centros.
A galáxia anã NGC 5477 é uma das muitas galáxias anãs irregulares. As regiões azuis são indicativas de formação de novas estrelas, mas muitas dessas galáxias não formaram novas estrelas em muitos bilhões de anos. Se a ideia de aquecimento da matéria escura estiver correta, você esperaria que os perfis de massa das galáxias anãs parecessem diferentes com base em seu histórico total de formação de estrelas. (ESA/HUBLE E NASA)
Mas se uma galáxia tivesse formado grandes quantidades de estrelas ao longo de sua história, você esperaria que o gás e a matéria próximos ao centro da galáxia fossem em grande parte expelidos, o que empurra a matéria escura para órbitas mais altas e altera o perfil de massa inferido da galáxia. Praticamente todas as galáxias tiveram fases de explosão estelar durante os primeiros bilhões de anos, mas as menos ativas ficaram quietas pelos bilhões de anos subsequentes a isso. Em outras palavras, uma rica história de formação estelar recente deve levar a um núcleo de matéria escura de baixa massa em galáxias anãs, enquanto apenas a formação estelar antiga deve levar a núcleos de massa mais alta.
Isso é exatamente o que uma equipe liderada por Justin Read encontrado em um novo estudo divulgado em janeiro . De acordo com o Dr. Leia:
Encontramos uma relação verdadeiramente notável entre a quantidade de matéria escura nos centros dessas pequenas anãs e a quantidade de formação de estrelas que elas experimentaram ao longo de suas vidas. A matéria escura nos centros das anãs formadoras de estrelas parece ter sido “aquecida” e expulsa.
É um caso espetacular de uma simulação mais sofisticada explicando um fenômeno que simulações anteriores, fazendo suposições mais ingênuas, não conseguiam explicar.
A formação de estrelas em pequenas galáxias anãs pode aquecer lentamente a matéria escura, empurrando-a para fora. A imagem da esquerda mostra a densidade do gás hidrogênio de uma galáxia anã simulada, vista de cima. A imagem da direita mostra o mesmo para uma galáxia anã real, IC 1613. Na simulação, o fluxo repetido de entrada e saída de gás faz com que a força do campo gravitacional no centro da anã flutue. A matéria escura responde a isso migrando do centro da galáxia, um efeito conhecido como “aquecimento da matéria escura”. (J. I. READ, M. G. WALKER, & P. STEGER (2019), MNRAS 484, 1)
Tradicionalmente, a matéria escura tem sido a explicação para os fenômenos que observamos em grandes escalas cósmicas. Ele explica as flutuações no fundo cósmico de micro-ondas, a estrutura em grande escala do Universo e o comportamento de aglomerados e grupos de galáxias de uma maneira que nenhuma outra alternativa pode. No entanto, as menores escalas galácticas provaram ser problemáticas para simulações de matéria escura, levando muitos a questionar sua validade.
Essa nova descoberta é um caso fascinante em que teoria e observação estão se alinhando perfeitamente assim que cálculos melhores são feitos. Pode finalmente resolver um dos maiores problemas da matéria escura: explicar o comportamento das menores galáxias do Universo. Mesmo sem transferência direta de energia, a matéria escura é afetada pela gravidade de tudo ao seu redor. Se a formação de estrelas movimentar a massa, a matéria escura também se movimentará. A matéria escura fria, indiretamente, é aquecida pelas estrelas. Finalmente, estamos finalmente entendendo como.
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 .
Compartilhar:
