Matéria escura em nosso próprio quintal revelada pelos relógios perfeitos da natureza
Uma ilustração dos 14 pares de pulsares binários usados para medir nossa aceleração galáctica. Em um novo estudo publicado aqui no início de 2021, os períodos orbitais e as mudanças nos períodos orbitais desses pulsares foram usados para medir diretamente nossa aceleração galáctica, a primeira vez que tal medição foi feita diretamente. (IAS; DANA BERRY)
Os pulsares binários estão fazendo o que nenhuma outra medição fez: medir nossa aceleração galáctica diretamente.
Mesmo que a maior parte da matéria que compõe nosso Universo possa ser completamente invisível para nossos instrumentos, há uma maneira de não se esconder de nós: através de seus efeitos gravitacionais. A presença de massa, não importa que tipo de massa seja, inevitavelmente curvará o tecido do espaço. Esse espaço curvo determina como tudo se move através dele, dos átomos à luz e a quaisquer outras partículas que possam existir dentro dele.
Uma das consequências fascinantes disso – porque não é apenas o espaço que se curva, mas o próprio tecido do espaço-tempo – é que, à medida que as massas se movem entre uma fonte distante e nós, a quantidade de tempo que a luz leva para chegar deve mudar. por quantidades muito pequenas, mas mensuráveis. Essa diferença de tempo pode ser de apenas alguns nanossegundos, mas um relógio sensível o suficiente deve ser capaz de ver a diferença. Inacreditavelmente, temos uma série de relógios naturais, pulsares binários , distribuído por toda a galáxia (e além) que poderia investigar exatamente isso. Dentro um novo estudo fascinante liderado por Dr. Amo Chakrabarti , agora temos as primeiras medições de matéria escura em nosso próprio quintal usando esse método. Aqui está o que sabemos até agora.
Esta imagem mostra o maciço e distante aglomerado de galáxias Abell S1063. Como parte do programa Hubble Frontier Fields, este é um dos seis aglomerados de galáxias a serem fotografados por um longo tempo em muitos comprimentos de onda em alta resolução. A luz difusa, branco-azulada mostrada aqui é a luz estelar intracluster real, capturada pela primeira vez. Ele traça a localização e a densidade da matéria escura com mais precisão do que qualquer outra observação visual até o momento. (NASA, ESA E M. MONTES (UNIVERSIDADE DE NOVA GALES DO SUL))
Quando se trata de entender o que está no Universo, a matéria escura continua sendo um dos nossos quebra-cabeças mais complexos e difíceis de resolver. Um dos maiores problemas, é claro, é que é totalmente invisível. Não absorve nem emite luz. Não colide ou gruda, nem consigo mesmo nem com a matéria normal, em qualquer quantidade mensurável. Ele não aparece em nenhum detector que já construímos ou em nenhum experimento que inventamos. Se houver um sinal esperando para ser descoberto, ainda não o extraímos de forma robusta.
E, no entanto, os efeitos gravitacionais da matéria escura têm sido usados pelos astrônomos para medir indiretamente sua presença e quantidade que deve estar presente em todos os tipos de situações em todo o Universo. A matéria escura nas galáxias faz com que os arredores girem a uma taxa diferente do que a massa das estrelas por si só prevê. A matéria escura em aglomerados de galáxias dobra as fontes de luz de fundo através de lentes gravitacionais e faz com que as galáxias individuais dentro dele se movam mais rapidamente do que o previsto. Quando esses aglomerados colidem, a matéria escura se separa da matéria normal, revelando uma presença independente. E a matéria escura impulsiona a formação de estrutura em grande escala em nosso Universo, necessária para explicar dados de pesquisas de galáxias profundas e do fundo cósmico de micro-ondas.
Este trecho de uma simulação de formação de estrutura, com a expansão do Universo em escala, representa bilhões de anos de crescimento gravitacional em um Universo rico em matéria escura. Observe que filamentos e aglomerados ricos, que se formam na interseção dos filamentos, surgem principalmente devido à matéria escura; a matéria normal desempenha apenas um papel menor. (RALF KÄHLER E TOM ABEL (KIPAC)/OLIVER HAHN)
Mas o que temos dados muito pobres é a matéria escura presente em nossa própria galáxia. Estar embutido no plano da Via Láctea torna as medições que podemos facilmente fazer de outras galáxias incrivelmente desafiadoras aqui dentro da nossa. Se você deseja estimar quanta matéria escura existe em nossa galáxia, o procedimento típico é fazer o seguinte:
- medir as estrelas, gás, poeira e outras matérias normais que podemos ver,
- calcule quanta matéria normal global existe,
- medir a velocidade e direção de estrelas individuais em nossa vizinhança, velocidades radiais (ao longo da linha de visão) e transversais (perpendicular à nossa linha de visão),
- suponha que a galáxia está em equilíbrio, onde as estrelas estão em órbitas estáveis em torno do centro galáctico,
- e então calcular qual deve ser a influência da matéria escura.
É o que se chama de método cinemático, porque se baseia nas velocidades que medimos, que por sua vez nos permitem derivar uma aceleração, que (de F = m para ) nos permite calcular a força gravitacional.
Muitas galáxias, como a grande galáxia espiral Messier 51, também conhecida como a galáxia Redemoinho, têm braços espirais extensos e extensos, devido às suas interações gravitacionais com as galáxias vizinhas e próximas que as influenciam gravitacionalmente. A Via Láctea não está isolada, e a influência de algumas das galáxias próximas pode desafiar nossa suposição de que a própria Via Láctea é um sistema em equilíbrio. (NASA, ESA, S. BECKWITH (STSCI) E A EQUIPE HUBBLE HERITAGE (STSCI/AURA))
Mas estamos realmente fazendo um bom trabalho se é assim que estamos calculando a matéria escura? Não necessariamente. É muito fácil supor que as estrelas em nossa galáxia funcionam exatamente como os planetas em nosso Sistema Solar: que há uma força apontando para o centro galáctico acelerando essas estrelas, mantendo-as em um caminho elíptico regular. Assumimos, em outras palavras, que nossa galáxia é uma galáxia em equilíbrio, e que a energia cinética do movimento de cada estrela individual equilibra, de uma maneira particular, a energia potencial gravitacional da galáxia.
Mas e se não? Sabemos que existem galáxias próximas, como as Nuvens de Magalhães e até Andrômeda, que estão puxando nossa galáxia. As mesmas limitações em nossa perspectiva que nos impedem de medir facilmente todos os tipos de propriedades - o número de braços espirais em nossa galáxia, a presença e extensão de nossa barra central, a quantidade total de formação estelar ocorrendo, etc. saber se (e por quanto) nossa galáxia está sendo gravitacionalmente interrompida. Pelo que sabemos, podemos não estar no equilíbrio exato em que continuamos a supor que estamos.
A Via Láctea tem dois braços principais, chamados de Braço de Perseu e Braço de Scutum-Centaurus. Há também dois braços menores e duas esporas menores. A Terra, seu Sol e o resto do nosso sistema solar estão embutidos no esporão de Órion. Embora se acredite que as características gerais da Via Láctea correspondam a essa imagem, os detalhes mais sutis da galáxia são amplamente desconhecidos. Observe o quanto isso é menos detalhado do que as fotos de muitas galáxias próximas e mais distantes. (NASA/JPL-CALTECH/R. HURT (SSC/CALTECH))
É aí que a incrível ciência dos pulsares binários entra em ação. Em termos de relógios naturais, não há nada no Universo que seja tão bom quanto um pulsar, e de um tipo específico de pulsar conhecido como pulsar de milissegundo: os objetos que giram mais rápido conhecidos pela humanidade, girando a cerca de 70% da velocidade da luz . Esses pulsares são na verdade estrelas de nêutrons com campos magnéticos muito fortes, onde o eixo de rotação do próprio pulsar não se alinha com o eixo do campo magnético.
O eixo magnético tem dois ou mais pólos, e cada vez que um desses pólos pisca em sua linha de visão, você vê um pulso de radiação eletromagnética. Como esses pulsares giram com tanta regularidade, eles também pulsam regularmente: até quase 1.000 vezes por segundo nos casos mais rápidos. Se você assistir a um pulsar de milissegundos, você pode literalmente desviar o olhar por algo como um ano e, quando retornar, poderá saber se ocorreu um bilhão de pulsos ou se é um bilhão e um. Somos tão precisos.
Os dois modelos de melhor ajuste do mapa da estrela de nêutrons J0030+0451, construído pelas duas equipes independentes que usaram os dados do NICER, mostram que dois ou três 'pontos quentes' podem ser ajustados aos dados, mas que o legado a ideia de um campo bipolar simples não pode acomodar o que o NICER viu. Algumas estrelas de nêutrons pulsam, e aquelas cujos pulsos passam por nós são conhecidas como pulsares. (ZAVEN ARZOUMANIAN & KEITH C. GENDREAU (CENTRO DE VÔO ESPACIAL NASA GODDARD))
No entanto, o que é ainda mais interessante é um sistema de pulsar binário, onde um pulsar está em órbita binária com outro companheiro compacto. Essa companheira pode ser uma anã branca, uma estrela de nêutrons, outro pulsar ou possivelmente até um buraco negro. O tempo de chegada desses pulsos é tão preciso que medir as variações de pulso nos diz como o sistema está mudando ao longo do tempo, permitindo medir efeitos sutis com muita precisão.
Muito antes de as primeiras ondas gravitacionais serem detectadas, começamos a descobrir esses sistemas verdadeiramente notáveis de pulsares binários. Com duas massas compactas orbitando uma à outra enquanto giram, muita coisa está acontecendo. O sistema orbitará seu centro de massa mútuo, movendo-se ao longo de nossa linha de visão, bem como transversalmente a ela, e a órbita mudará ao longo do tempo muito levemente. À medida que orbitam um ao outro, por exemplo, prevê-se que irradiam energia na forma de ondas gravitacionais a uma taxa específica. A medição disso para o primeiro pulsar binário descoberto - o Binário Hulse-Taylor — foi a primeira confirmação indireta de ondas gravitacionais, cuja existência foi posteriormente confirmada diretamente pelo LIGO e outros detectores de ondas gravitacionais.
A taxa de decaimento orbital de um pulsar binário é altamente dependente da velocidade da gravidade e dos parâmetros orbitais do sistema binário. Usamos dados binários de pulsar para restringir a velocidade da gravidade a ser igual à velocidade da luz com uma precisão de 99,8% e inferir a existência de ondas gravitacionais décadas antes que o LIGO e o Virgo as detectassem. No entanto, a detecção direta de ondas gravitacionais era uma parte vital do processo científico, e a existência de ondas gravitacionais ainda estaria em dúvida sem ela. (NASA (L), INSTITUTO MAX PLANCK DE RÁDIO ASTRONOMIA / MICHAEL KRAMER (R))
À medida que os pulsares giram, os campos magnéticos ultra-fortes que eles possuem, que podem ser trilhões de vezes mais fortes que o campo magnético da Terra, podem criar um efeito de frenagem eletromagnética, alterando o período de rotação. No entanto, esse efeito não altera o período orbital do pulsar, o que significa que, se pudermos medir:
- o período orbital do sistema binário,
- como esse período muda ao longo do tempo,
- e podemos explicar com sucesso as ondas gravitacionais,
restará apenas um componente: como o campo gravitacional da galáxia faz com que esse sistema acelere.
Isso é sutil, mas notável. Quando medimos a rapidez com que as estrelas individuais estão se movendo, só podemos inferir os efeitos gravitacionais da galáxia fazendo certas suposições. Mas, por causa da física em jogo nesses sistemas pulsares binários, quando seu período orbital muda, a combinação do que é o período e a rapidez com que o período muda ao longo do tempo nos permite medir esses efeitos gravitacionais diretamente.
Esta ilustração mostra um pulsar binário, que é um pulsar orbitando um companheiro binário, bem como as ondulações no espaço-tempo que emergem da emissão de ondas gravitacionais. Além desses efeitos, o período orbital também muda devido à influência externa do potencial gravitacional da galáxia em que eles existem: algo que agora foi medido diretamente pela primeira vez. (ESO/L. CALÇADA)
Em seu trabalho mais recente, a equipe de pesquisadores liderada pelo Dr. Chakrabarti conseguiu identificar 14 pulsares binários localizados a cerca de 3.000 anos-luz do nosso Sol que tinham as propriedades certas para serem úteis para descobrir isso. O que você precisa fazer é medir esses pulsares e seus períodos orbitais por longos períodos de tempo: muitos anos ou até décadas, e ver não apenas quais são esses períodos, mas como eles estão mudando.
Para os propósitos da cosmologia – o estudo do que compõe o Universo e como – esta é uma medida incrivelmente interessante de se fazer. Em teoria, existem dois tipos de matéria:
- matéria bariônica (normal), que esperamos ser compactada em um disco fino em nossa galáxia, e que deve ser a principal responsável pela aceleração de objetos muito próximos do plano galáctico,
- e matéria escura, que deve se estender em um grande halo esférico difuso ao redor da galáxia, e que deve afetar significativamente a aceleração de objetos que estão fora do plano galáctico.
Uma galáxia governada apenas por matéria normal (L) exibiria velocidades de rotação muito mais baixas nos arredores do que em direção ao centro, semelhante à forma como os planetas do Sistema Solar se movem. No entanto, as observações indicam que as velocidades de rotação são amplamente independentes do raio (R) do centro galáctico, levando à inferência de que uma grande quantidade de matéria invisível ou escura deve estar presente. Dentro de nossa própria galáxia, essas medições são extraordinariamente difíceis de fazer e, portanto, devemos confiar em outras técnicas. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS INGO BERG/FORBES/E. SIEGEL)
Como o próprio Sol está praticamente no meio do plano galáctico, localizado a cerca de 27.000 anos-luz do centro galáctico, gostaríamos de obter cerca de 5.000 anos-luz para fora do plano para detectar a influência da matéria escura e cerca de ~ 12.000 anos-luz de distância no plano do disco (em qualquer direção) para descobrir como a matéria escura estava afetando o sistema. Como todos esses pulsares estavam localizados a ~3.000 anos-luz de nossa localização, esperaríamos que eles não mostrassem praticamente nenhuma indicação da influência da matéria escura.
Isso é, de fato, exatamente o que a equipe de Chakrabarti descobriu. Fazendo a primeira medição robusta e direta da aceleração galáctica sem assumir que a galáxia está em equilíbrio, eles descobriram que existem cerca de 750 planetas Terra em massa em cada ano-luz cúbico do espaço: apenas 0,23% da massa do Sol. Como temos outras maneiras de medir quanta matéria normal está presente, podemos concluir que entre 85% e 100% da matéria que influencia a aceleração galáctica em nossa vizinhança é matéria normal, e que a matéria escura - como previsto - quase não tem efeitos em todo.
De acordo com modelos e simulações, todas as galáxias deveriam estar embutidas em halos de matéria escura, cujas densidades atingem os centros galácticos, mas cujos efeitos são mais facilmente vistos longe do disco galáctico, que é dominado pela matéria normal (bariônica). Uma medida direta do potencial galáctico pode ser obtida através da medição dos períodos e mudanças de período de sistemas binários de pulsares. (NASA, ESA E T. BROWN E J. TUMLINSON (STSCI))
Esta é a primeira vez que esta poderosa técnica, de usar os períodos orbitais e a mudança nos períodos orbitais de pulsares binários, foi aproveitada para medir a aceleração galáctica de objetos em nossas próprias vizinhanças. Também marca a primeira vez que, com sucesso, medimos qual é o potencial gravitacional de nossa própria galáxia sem precisar recorrer a suposições que podem não ser necessariamente bem fundamentadas.
Além disso, e talvez o mais empolgante, três grandes avanços devem ocorrer em um futuro próximo: linhas de base de tempo mais longas nas quais esses pulsares podem ser observados, pulsares binários adicionais que ajudarão a reduzir os erros estatísticos no estudo e, com instrumentação e técnicas, pulsares binários a distâncias maiores. Este último é o mais interessante para muitos, pois revelará diretamente a matéria escura de nossa galáxia ou lançará dúvidas significativas sobre nossas suposições de que um grande halo de matéria escura realmente envolve nossa própria galáxia. Com mais e melhores dados a caminho, esses sistemas de pulsares binários estão finalmente lançando luz sobre a matéria escura que nos iludiu por tanto tempo.
Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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