Matéria escura nas galáxias: comprovada!

Crédito da imagem: ESO/L. Calçada.

Ou há uma fonte invisível de massa, ou as leis da gravidade estão erradas. Mas apenas um pode explicar o que vemos.



A discrepância entre o que era esperado e o que foi observado cresceu ao longo dos anos, e estamos nos esforçando cada vez mais para preencher a lacuna. – Jeremiah Ostriker





Dê uma olhada nas galáxias do Universo e você certamente notará uma coisa: elas vêm em duas classes principais, grandes espirais e elípticas gigantes.

Crédito da imagem: NASA , ESTA , a Herança do Hubble ( STScI / TERÁ )- ESTA /Hubble Collaboration e W. Keel (Universidade do Alabama, Tuscaloosa).



Em todos os casos, essas galáxias são compostas de um grande número de estrelas: centenas de bilhões no caso de nossa Via Láctea, mas muitas vezes muitos trilhões nas maiores galáxias elípticas.



Como sabemos como as estrelas funcionam, como seu brilho, cor, espectro e outras propriedades intrínsecas estão correlacionadas, tudo o que precisamos fazer é medir toda a luz proveniente de uma dessas galáxias e saber quanto de sua massa está na forma de estrelas.

Crédito da imagem: Hubble Legacy Archive, ESA, NASA; Processamento e imagens adicionais — Robert Gendler. Através da http://apod.nasa.gov/apod/ap110415.html .



Se uma galáxia está orientada de frente para nós - como a galáxia do cata-vento é, acima - não podemos medir a rapidez com que as estrelas estão se movendo dentro dele.

Esta seria uma medida interessante de se fazer, você percebe, porque as estrelas que se movem dentro de uma galáxia obedecem às leis da gravidade, que são incrivelmente conhecidas. Então, se você fizer uma medição da rapidez com que as estrelas estão se movendo, poderá inferir quanta massa – e onde está localizada – está dentro.



Felizmente, a maioria das galáxias não está orientada de frente para nós, mas sim em um ângulo, para que possamos medir a rapidez com que as velocidades de rotação das estrelas são.



Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Stefania.deluca .

(No caso de elípticas, podemos usar as dispersões de velocidade das estrelas em vários raios do centro galáctico, que também é uma medida de qualidade.)



O que notamos quando fazemos essas medições, de forma bastante chocante, é que enquanto o interior das galáxias é dominado por estrelas, deve haver algum adicional tipo de massa presente para explicar os movimentos que vemos. Não apenas isso, mas deve haver mais dele à medida que nos afastamos cada vez mais do centro da galáxia.

Havia duas soluções potenciais (bastante razoáveis) para este problema:



  1. As leis da gravidade são problemáticas e precisam ser modificadas em escalas maiores que o Sistema Solar.
  2. Nossa compreensão da matéria é incompleta e deve haver um novo tipo de matéria presente para explicar o que observamos.

A última dessas duas possibilidades é a ideia de matéria escura.

Crédito da imagem: NASA, ESA e T. Brown e J. Tumlinson (STScI).

Você pode pensar, é claro, que essa matéria escura é apenas coisas normais – prótons, nêutrons e elétrons – que não emitem luz. Eu não poderia culpá-lo por isso: sabemos de muita matéria que faz exatamente isso. Planetas, você e eu, poeira, gás e até plasmas ionizados são todos matéria normal que não emite luz própria visível.

E ainda, se olharmos em todos os diferentes comprimentos de onda de luz que conhecemos, os comprimentos de onda que está sensíveis a esses tipos de matéria, bem como a todos os outros sinais que conhecemos (como microlentes, linhas de absorção, assinaturas de buracos negros etc.), descobrimos que não há o suficiente.

Crédito da imagem: Imagens de múltiplos comprimentos de onda do M31, através da equipe da missão Planck; ESA/NASA.

Mas se olharmos em vez disso para lente gravitacional , ou quanta luz é dobrada, ampliada e distorcida por uma galáxia interveniente em primeiro plano, podemos inferir a quantidade total de massa presente dentro da galáxia.

Crédito de imagem: ESA/Hubble & NASA.

Com base no que podemos ver, esse mesmo descompasso está sempre presente: há significativamente mais massa total dentro de cada galáxia que medimos do que toda a matéria normal dentro pode explicar.

Mas poderíamos, em princípio, ter a lei da gravidade errada com a mesma facilidade. O que gostaríamos, idealmente, é uma maneira de fazer um experimento para testar se haveria alguma maneira de separar a matéria normal da matéria escura. Isso pode parecer impossível, mas de vez em quando, o Universo nos faz um favor, e dois objetos enormes colidem um com o outro em velocidades tremendamente altas.

Imagine que há matéria escura (em azul) e matéria normal (em vermelho) em ambos os objetos. Quando eles colidem, a matéria normal – assim como suas mãos se chocam se você as colidir – irá interagir, aquecendo, dissipando energia e desacelerando. Mas a matéria escura não interagir (exceto gravitacionalmente), então ele simplesmente passa direto para o outro lado.

O gás aquecido emitirá raios X e a localização dos raios X revelará onde está localizada a matéria normal (que não está na forma de estrelas).

É como imaginar que temos duas armas apontadas uma para a outra.

Crédito da imagem: Aquarela de Ilya Repin, 1899.

Mas em vez de balas letais, cada uma é preenchida com alguma combinação de:

  • tiro de pássaro,
  • espuma, e
  • algum novo tipo de material que nunca pode colidir,

todos dispararam uns contra os outros. Os pellets de tiro de pássaro, em praticamente todos os casos, vão todos errar um ao outro. Em raras ocasiões, você pode ter uma colisão, mas é isso. A espuma, por outro lado, sempre ficará grudada se o tiro for no alvo. E o novo material sempre passará direto, seja o tiro no alvo ou não.

Como você pode dizer se esse novo tipo de material está realmente lá ou não?

Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons TallJimbo.

Você usa o fenômeno da lente gravitacional! Embora você possa não ter um alinhamento perfeito ou um aglomerado superdenso para obter aqueles arcos de lentes malucas ou essa ampliação insana, você ainda pode obter fraco lentes gravitacionais, que distorcem a luz de fontes de fundo (como galáxias) em padrões elípticos particulares.

Isso informa a massa total dentro e onde está localizada, e foi usado com sucesso para mapear a massa de várias galáxias e aglomerados no passado.

Crédito da imagem: Mike Hudson, de cisalhamento e lentes fracas no campo Hubble Deep. Sua página de pesquisa está em http://mhvm.uwaterloo.ca/ .

Então é assim que faríamos.

Bem, na verdade descobrimos um número significativo de estruturas gigantes - aglomerados de galáxias - que está no processo de colisões de velocidade relativamente alta. Alguns acabaram de passar por isso, enquanto outros estão em fases posteriores da colisão, estabelecendo-se em um estado mais equilibrado. Em todos os casos, eles têm imagens das galáxias na óptica (a foto do pássaro), uma foto dos raios-X em rosa (a espuma) e uma reconstrução de onde está a massa (o material que não colide) Em azul.

Crédito da imagem: Raio-X: NASA/CXC/CfA/ M. Markevitch et ai.;
Mapa de Lentes: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/ D. Clowe et al. .;
Óptico: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

O primeiro descoberto foi o Bullet Cluster, que foi em 2006, que mostra uma clara separação da matéria escura dos raios-X.

Crédito da imagem: Julian Marten / Universidade de Heidelberg, via http://www.ita.uni-heidelberg.de/~jmerten/pictures.shtml?lang=en .

Há o Trainwreck Cluster, Abell 520, que está em uma fase muito posterior.

Crédito da imagem: Raio-X: NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al; Óptico: NASA/STScI/UCDavis/W.Dawson et al.

Há o Musket Ball Cluster, uma colisão de altíssima velocidade que também mostra uma enorme separação dos raios X e da matéria.

Crédito da imagem: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Universidade da Califórnia, Santa Bárbara) e S. Allen (Universidade de Stanford).

E há dois clusters de colisão interessantes mais recentes, que não receberam nomes inteligentes, MACS J0025.4–1222 (acima) e MACSJ0717 (abaixo).

Crédito da imagem: NASA, ESA, CXC, C. Ma, H. Ebeling e E. Barrett (Universidade do Havaí/IfA), et al. e STScI.

Mas estes são imenso coleções de matéria! Não seria bom e limpo se pudéssemos ter um solteiro galáxia colidem com outra?

Isso pode ser pedir demais, já que o sinal de lente seria quase imperceptível. Mas o Universo foi gentil o suficiente para nos dar dois grupos de galáxias muito, muito pequenos - não maiores do que o nosso grupo local, que consiste em nossa galáxia, Andrômeda, e talvez 40 a 50 galáxias minúsculas (com menos massa que Andrômeda se você combiná-los todos) - que se chocaram em uma velocidade incrivelmente alta. Todo o sistema, como você poderia esperar, era dominado por apenas um punhado de galáxias.

Crédito da imagem: ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF/IASF, Milão, Itália) / CFHTLS.

Mas não é aí que a maioria da matéria normal – como evidenciado pelos raios X – estava localizada! Diga olá para o grupo bala , SL2S J08544–0121 . Foi descoberto, fotografado e reconstruído em massa há apenas alguns meses, o que mostra pela primeira vez uma imenso discrepância entre onde a matéria normal e a massa está localizada em uma estrutura tão pequena!

Podemos ampliar e destacar exatamente onde as galáxias individuais estão dentro. Dê uma olhada nas regiões azul e roxa (onde a massa por si só e a massa e o gás se sobrepõem) e veja como elas se comparam às regiões vermelha e roxa.

Crédito da imagem: ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF/IASF, Milão, Itália) / CFHTLS.

Você pode até ver – em vermelho – as galáxias de fundo, de cuja forma a massa da lente gravitacional foi reconstruída! Simplesmente não há como explicar essas observações modificando apenas a gravidade; tu precisar matéria escura, não importa o que você faça com a gravitação.

Portanto, não apenas temos evidências de matéria escura em escalas de enormes aglomerados de galáxias, mas agora, pela primeira vez, nas escalas de galáxias individuais dentro de um grupo muito pequeno . Tudo o que podemos fazer, como bons cientistas, é seguir o Universo para onde quer que a história que ele nos conta sobre si mesmo nos leve.


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