Teoria da matéria escura triunfa em novo estudo abrangente
Enquanto as estrelas podem se agrupar no disco e a matéria normal pode ser restrita a uma região próxima ao redor das estrelas, a matéria escura se estende em um halo mais de 10 vezes a extensão da porção luminosa. Crédito da imagem: ESO / L. Calçada.
Quando um fenômeno passa da correlação empírica para a explicação teórica, esse é um dos maiores negócios da ciência!
O espaço e o tempo podem ter uma estrutura tão intrincada quanto a fauna de um rico ecossistema, mas em uma escala muito maior do que o horizonte de nossas observações.
– Martin Rees
Quando você olha para o Universo, tudo o que vê é matéria e luz. As estrelas, galáxias, plasmas e objetos astrofísicos incomuns emitem radiação de todo o espectro eletromagnético; a poeira, o gás e os átomos neutros o absorvem. No entanto, o que inferimos ao vê-los, particularmente nas maiores escalas, nos diz que há muito mais do que percebemos atualmente. Além da matéria e da luz, deve haver energia escura, uma forma de energia inerente ao próprio tecido do espaço que faz com que o Universo em expansão acelere, e uma quantidade significativa de matéria escura: partículas maciças e aglomeradas que são invisíveis à luz . A matéria escura pode fazer muitas coisas, mas uma previsão com a qual sempre lutou é reproduzir exatamente como as galáxias são observadas girando. É um problema há décadas, dos anos 1970 até 2017. Mas a partir de 23 de junho, um novo papel afirma ter finalmente resolvido o problema da rotação galáctica.
A curva de rotação estendida de M33, a galáxia Triangulum. Com a adição do feedback da formação estelar nas simulações, bem como a razão entre a matéria normal e a matéria escura, a matéria escura poderia finalmente explicar essas curvas de rotação observadas? Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Stefania.deluca.
Desde 1970, sabe-se que as galáxias não apenas giram, mas giram com velocidades muito rápidas, principalmente nos arredores, pelo que a matéria normal sozinha pode explicar. Quase meio século de estudos mostraram que, se a matéria escura existe, ela deve formar halos massivos e difusos que se estendem muito mais longe do que os discos visíveis e os enxames elípticos, com a gravidade da matéria escura e normal afetando o movimento das galáxias. Enquanto as correlações foram medidas entre várias propriedades que as galáxias possuíam:
- O Relação Tully-Fisher , que correlaciona o brilho com a velocidade de rotação para galáxias espirais,
- O Faber-Jackson e Plano Fundamental relações, que correlacionam luminosidade com dispersões de velocidade para galáxias elípticas,
- O função de massa estelar galáxia , que relaciona a luminosidade de uma galáxia com sua massa ao longo do tempo, tamanho, metalicidade e tipo de galáxia,
não houve ligação bem sucedida entre a teoria/simulações da matéria escura e essas relações.
Crescimento das funções de massa estelar quiescentes e formadoras de estrelas em uma caixa de deslocamento para o vermelho. Os pontos preenchidos/vazios correspondem a medições acima/abaixo do limite de completude de massa de cada população. Crédito da imagem: Tomczak et al. 2014 / ZFOURGE.
À medida que dados melhores em grandes escalas cósmicas chegaram, no entanto, ficou claro que a matéria escura era boa para uma série de coisas que todas as suas alternativas não eram. Em particular, a matéria escura foi capaz de explicar:
- Os movimentos individuais de galáxias dentro de grupos e aglomerados,
- A curvatura gravitacional da luz por grandes coleções de galáxias,
- A separação entre massa e matéria normal em aglomerados de galáxias em colisão,
- A estrutura aglomerada, filamentar e cheia de vazios cósmicos do Universo nas maiores escalas,
- A probabilidade de encontrar duas galáxias a uma distância fixa uma da outra, e
- O padrão de flutuações no Fundo Cósmico de Microondas.
Uma ilustração dos padrões de agrupamento devido às oscilações acústicas de Baryon, onde a probabilidade de encontrar uma galáxia a uma certa distância de qualquer outra galáxia é governada pela relação entre a matéria escura e a matéria normal. Crédito da imagem: Zosia Rostomian.
Nem uma modificação da gravidade, nem um ajuste das propriedades dos neutrinos, nem a adição de uma nova lei de força poderiam explicar essas observações juntas. Em todos os casos, o Universo como o vemos ainda precisava de matéria escura.
Nas escalas maiores, a forma como as galáxias se agrupam observacionalmente (azul e roxo) não pode ser correspondida por simulações (vermelho), a menos que a matéria escura seja incluída. Crédito da imagem: Gerard Lemson & the Virgo Consortium, com dados do SDSS, 2dFGRS e Millennium Simulation.
E, no entanto, havia um problema. Em escalas de galáxias individuais, o halo que a matéria escura previu não conseguiu reproduzir os movimentos internos das galáxias em detalhes sangrentos. Ou as previsões eram de muito pouca massa nas bordas, o que significa que as curvas de rotação deveriam ter caído, ou havia muita massa no núcleo, conhecido como problema do núcleo da cúspide .
As curvas observadas (pontos pretos) juntamente com a matéria normal total (curva azul) e vários componentes de estrelas e gás que contribuem para as curvas de rotação das galáxias. Crédito da imagem: The Radial Acceleration Relation in Rotationally Supported Galaxies, Stacy McGaugh, Federico Lelli e Jim Schombert, 2016.
Se a matéria escura quer sair vitoriosa, ela precisa explicar todas as observações, não apenas a esmagadora maioria. Isso inclui as observações em escalas de galáxias individuais, não apenas em escalas cósmicas maiores. A maneira como você espera conciliar teoria e observações seria simular, com grande precisão, a evolução do Universo desde as condições iniciais bem compreendidas nos primeiros tempos até a rica estrutura do presente. Quando essas simulações e o que observamos coincidirem, saberemos que estamos no caminho certo.
Isso é exatamente o que o novo estudo de A. Cattaneo et al. tentativas de fazer. Ao começar com uma mistura de matéria normal, matéria escura, energia escura, radiação, neutrinos e as flutuações de sementes que satélites como o Planck observam, ele usa uma combinação de simulação e cálculos teóricos para evoluir o Universo até os dias atuais. Em cada época diferente da história cósmica, o estudo pode extrair como o gás cai e se acumula dentro das galáxias, como as galáxias evoluem em forma, como ocorre a formação estelar e a formação estelar e como quantidades observáveis como luminosidade (da população estelar) e as velocidades internas (de propriedades gravitacionais) devem estar relacionadas.
Representação esquemática de galáxias de disco rotativo no Universo primitivo (direita) e nos dias atuais (esquerda). Observe a diferença nas velocidades de rotação esperadas. Crédito da imagem: ESO/L. Calçada.
Tentativas anteriores de estudos como este conseguiram reproduzir um grande número dessas relações com sucesso, mas a relação Tully-Fisher, que relaciona a luminosidade à velocidade de rotação para galáxias espirais, sempre foi elusiva. Esse é o maior avanço do novo estudo da equipe Cattaneo; eles resolvem esse problema finalmente! Em particular, sua simulação modela todo o comportamento relevante de uma maneira que nenhum outro fez:
Como a velocidade de rotação depende não apenas da velocidade do virial, mas também da proporção de bárions para a matéria escura dentro de uma galáxia, nosso cálculo prevê uma relação Tully-Fisher diferente dos modelos em que a velocidade de rotação é proporcional à velocidade do virial. É por isso que o GalICS 2.0 é capaz de reproduzir a função de massa estelar da galáxia e a relação Tully-Fisher simultaneamente.
Quando suas simulações (abaixo, em linhas sólidas) são comparadas com os dados, a concordância é impressionante, desde galáxias de massa muito alta até galáxias minúsculas com menos de 0,1% da massa da Via Láctea.
A relação entre luminosidade e velocidade de rotação para galáxias espirais, tanto para estrelas (esquerda) quanto para matéria normal total (direita). As curvas de simulação da equipe são mostradas em linhas sólidas, com dados de galáxias individuais indicados como pontos. Este acordo é inédito. Crédito da imagem: A. Cattaneo et al., arXiv:1706.07106, submetido ao MNRAS.
Ao obter a função de massa estelar da galáxia correta simultaneamente, esta equipe pode ter feito um avanço incrível para reconciliar como a matéria escura funciona nas escalas de galáxias individuais e abaixo. Ainda haverá fronteiras onde a matéria escura precisa ir – como galáxias com massa muito baixa para aparecer neste estudo ou a periferia extrema, além das estrelas, de galáxias em rotação – para definitivamente funcionar bem em todos os regimes. Mesmo assim, os céticos mais radicais só podem ser convencidos por uma detecção direta das partículas que compõem a matéria escura, algo que os experimentos podem não ser capazes de fazer.
A configuração criogênica de um dos experimentos que procura explorar as interações hipotéticas entre matéria escura e eletromagnetismo. No entanto, se a matéria escura não tiver propriedades específicas para as quais os experimentos atuais estão testando, nenhum dos que imaginamos jamais a verá diretamente. Crédito da imagem: Axion Dark Matter Experiment (ADMX) / flickr do LLNL.
É um avanço revolucionário que a matéria escura pode reproduzir simultaneamente as relações entre luminosidade e velocidades galácticas e a função de massa estelar nas galáxias, como este novo estudo realiza pela primeira vez. Ao incorporar técnicas avançadas e modelos físicos mais detalhados e a interação entre diferentes componentes, relações que só foram observadas, nunca explicadas, finalmente aparecem. Se pudermos jogar nossos ingredientes cósmicos em uma simulação e tirar o Universo exatamente como o observamos, isso é um sucesso tão grande para nossas teorias e modelos quanto se pode pedir.
Para aqueles que apostam contra a matéria escura, cuidado. Acaba de conquistar talvez seu maior obstáculo ao sucesso, fornecendo um mecanismo físico de como a luz estelar e a rotação galáctica finalmente se unem.
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:
