Galáxia Misteriosa Medida Requintadamente e Não Contém 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. Sua existência poderia resolver um enorme quebra-cabeça cósmico. (NASA, ESA E P. VAN DOKKUM (UNIVERSIDADE DE YALE))
Uma galáxia rara e ultradifusa está cheia de estrelas e não muito mais. Veja como entender isso.
Um dos maiores quebra-cabeças de todo o Universo é o mistério da matéria escura. Em teoria, para cada pedaço de matéria normal (como nós) no Universo, deveria haver aproximadamente cinco vezes mais matéria escura. Tanto a matéria normal quanto a escura devem experimentar a gravitação igualmente, o que significa que as maiores estruturas do Universo – galáxias, aglomerados de galáxias e filamentos cósmicos – devem conter e ser dominadas pela matéria escura. Quando medimos os movimentos de galáxias individuais, tanto isoladas quanto em aglomerados, a matéria normal por si só não é suficiente para explicar o que vemos. A matéria escura também é necessária.
Mas o Universo também é um lugar violento, cheio de fusões, colisões e choques cósmicos. Alguns desses eventos devem expelir matéria normal suficiente para criar galáxias novas, pequenas e livres de matéria escura: apenas com matéria normal. Pela primeira vez, Cientistas acreditam ter encontrado uma dessas galáxias sem matéria escura , resolvendo um enorme quebra-cabeça cósmico.
Enquanto a teia de matéria escura (roxo) pode parecer determinar a formação da estrutura cósmica por conta própria, o feedback da matéria normal (vermelho) pode impactar severamente as escalas galácticas. Mesmo pequenas galáxias estão sujeitas a esses efeitos, e se a matéria escura se aquecer devido à formação de estrelas, o efeito pode ser bastante severo. (COLABORAÇÃO DISTINTA / SIMULAÇÃO FAMOSA)
Em teoria, a matéria escura deve ser distribuída quase perfeitamente uniformemente por todo o Universo, assim como a matéria normal, após o Big Bang. À medida que a gravitação trabalha para reunir a matéria em aglomerados, tanto a matéria normal quanto a matéria escura sentem esses efeitos e se juntam e se unem, formando regiões superdensas. Quando as estrelas se formam, no entanto, tudo muda.
A matéria normal colide, interage e aquece com outra matéria normal. Ele emite luz e reage à pressão da radiação. A matéria escura não faz nenhuma dessas coisas, permanecendo em um halo difuso. Quando ocorre um evento violento o suficiente – como uma explosão de formação estelar, uma colisão de galáxias massivas ou um quasar ativo – a matéria normal pode ser expelida das galáxias. Isso tem o potencial de criar um fenômeno sem precedentes: uma coleção de matéria normal sem matéria escura.
Galáxias que aceleram através do meio intergaláctico terão seu gás e material retirados, o que levará a um rastro de estrelas formado na esteira do material expelido, mas impedirá a formação de novas estrelas dentro da própria galáxia. Esta galáxia, acima, está em processo de ser completamente despojada de seu gás. (NASA, ESA AGRADECIMENTOS: MING SUN (UAH) E SERGE MEUNIER)
Encontramos muitas peças do quebra-cabeça consistentes com essa imagem da estrutura cósmica. Encontramos grandes galáxias e aglomerados de galáxias com uma proporção universal de matéria escura para matéria normal: 5 para 1. Encontramos galáxias, como ESO 137-001 (acima), que tiveram seu gás retirado delas e agora possuem uma fração de matéria escura maior que a média. Encontramos galáxias anãs onde a formação estelar expeliu a maior parte da matéria normal, criando proporções de matéria escura de até 600.000 para 1 .
Mas nunca encontramos uma galáxia feita exclusivamente de matéria normal, sem matéria escura. Entre as menores galáxias anãs, nossa teoria da formação de estruturas em um universo frio rico em matéria escura prevê que algumas delas devem ser compostas apenas de matéria normal. Em nosso grupo local, tais galáxias não existem. Mas além do nosso grupo local, a galáxia NGC 1052-DF2 (conhecida como DF2 para abreviar) pode ser o proverbial elo perdido do Universo.
O conjunto de telefotos Dragonfly, que é otimizado para encontrar galáxias com brilho de superfície extremamente baixo no Universo relativamente próximo (dentro de 100 milhões de anos-luz), encontrou uma galáxia única em NGC 1052-DF2. Pode ser a primeira de várias galáxias a não mostrar evidências de matéria escura dentro dela. (ABRAHAM & VAN DOKKUM (2014) / UNIVERSIDADE DE YALE)
A maneira de encontrar tal galáxia é olhar além do nosso Grupo Local, para um lugar que pode ter experimentado mais eventos grandes e numerosos do que vimos. Em vez de olhar para as galáxias grandes e brilhantes que emitem mais luz, gostaríamos de vasculhar os arredores difusos de grupos e aglomerados de galáxias em busca de galáxias de baixa massa e baixo brilho de superfície.
Isso significa olhar para uma visão de campo amplo de uma porção do céu para brilhos extremamente fracos e escolher quaisquer galáxias anãs que exibam um comportamento diferente das outras. O desenvolvimento do Matriz de telefoto libélula , que foi recentemente atualizado para 48 lentes telefoto em dois grupos , foi feito para fazer exatamente isso. Quando apontou, em 2018, para o galáxia elíptica maciça NGC 1052 , encontrou várias galáxias anãs ao seu redor, incluindo a mais incomum: DF2.
O campo Dragonfly completo, aproximadamente 11 graus quadrados, centrado em NGC 1052. O zoom mostra os arredores imediatos de NGC 1052, com NGC 1052–DF2 destacado na inserção. Esta é a Figura 1 de dados estendidos de van Dokkum et al. publicação em 2018 anunciando a descoberta do DF2. (P. VAN DOKKUM ET AL., NATUREZA VOLUME 555, PÁGINAS 629–632 (29 DE MARÇO DE 2018))
DF2 é estranho, mesmo para uma galáxia anã. Para começar, é ultradifuso, sem núcleo central, sem braços espirais e sem estrutura elíptica em forma de colmeia. Um instrumento como o Dragonfly é otimizado para encontrar estruturas como esta com brilho superficial tão baixo; DF2 é uma das três ou quatro galáxias ultra-difusas conhecidas. Parece uma bola de estrelas inchada e nada mais.
Ela é cercada por um halo povoado de aglomerados globulares, exceto que seus aglomerados globulares são estranhos: eles são duas vezes maiores que os globulares que vemos em outras galáxias. Eles também são antigos: pelo menos 9 bilhões de anos se passaram desde que novas estrelas se formaram neles. Mas o mais estranho de tudo é que os movimentos das estrelas dentro dele, assim como os movimentos dos aglomerados globulares ao seu redor, são muito pequenos. Se a matéria escura fosse abundante, eles se moveriam a velocidades de ± 30 km/s, mais ou menos. Mas não é isso que vemos.
A galáxia NGC 1052-DF2 foi fotografada em grande detalhe pelo instrumento espectrógrafo KCWI (Keck Cosmic Web Imager) 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)
Inicialmente, os aglomerados globulares foram usados para restringir a massa total desta galáxia, descobrindo que os movimentos internos eram muito menores do que o previsto pela matéria escura. Foi difícil obter uma medição real; apenas um limite superior que estava abaixo das previsões dos modelos padrão de matéria escura. Embora a galáxia em si fosse muito menor que a Via Láctea, ainda era grande o suficiente – com quase um bilhão de estrelas no total dentro dela – para ser uma exceção intrigante.
Não há nada como essa galáxia ultradifusa no Grupo Local, e nunca vimos uma galáxia tão pequena que parecia totalmente desprovida de matéria escura. Se fosse composto apenas de matéria normal, esperaríamos que seus movimentos internos exibissem velocidades de cerca de ± 6 a 8 km/s, o que estava abaixo do limite de medição na época. Mas usando uma técnica inteligente com o instrumento MUSE, uma equipe independente relatou que eles mediram a dispersão da velocidade das estrelas diretamente , e obteve um resultado de ±16 km/s, mostrando que uma quantidade substancial de matéria escura estava presente afinal.
A galáxia ultradifusa NGC 1052-DF2, fotografada pelo instrumento MUSE a bordo do Very Large Telescope (VLT), juntamente com as localizações dos aglomerados globulares que foram usados como medida proxy em estudos anteriores. (E. EMSELLEM ET AL., ENVIADO A A&A (2018), ARXIV: 1812.07345)
Mas esse valor estava correto? Falei com membros da equipe de descoberta original e eles alegaram que o instrumento MUSE que eles usaram tinha resolução espectral insuficiente para fazer essa medição. Você precisa de um instrumento melhor com um campo de visão menor para obter qualquer coisa além de um limite superior, e foi por isso que eles usariam o instrumento KCWI em vez do MUSE.
No início deste mês, eles pegaram seus dados e, abaixo, você pode ver o que eles encontraram. Um espectro de amostra do DF2 é mostrado como obtido com KCWI, com o espectro inferido do MUSE desenhado (em vermelho) sobre ele. Como você pode ver claramente, os dados do MUSE são suavizados devido à resolução insuficiente, o que infla artificialmente seus resultados.
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))
As estrelas e os aglomerados globulares não estão se movendo a ±16 km/s, como a equipe anterior indicou, mas a meros ±7 ou 8 km/s. Ao medir as estrelas diretamente, eles encontraram uma dispersão de velocidade estelar de ±8,4 km/s, enquanto os aglomerados globulares deram um valor ligeiramente inferior de ±7,8 km/s. Esses valores são consistentes com o que você esperaria apenas da massa de estrelas dentro da galáxia; parece não haver matéria escura presente dentro desta galáxia.
Os aglomerados globulares são encontrados mais longe do que as estrelas por cerca de um fator de 4, que é onde os efeitos de um halo de matéria escura devem ser mais significativos. O fato de a dispersão de velocidade permanecer inalterada entre as estrelas e aglomerados globulares, pelo menos na melhor resolução de nossos instrumentos, indica que esta galáxia pode ser o primeiro exemplo de uma nova população cuja existência foi prevista pela teoria: de ultra-difusa , galáxias livres 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)
A grande questão que surge agora é se esta galáxia é uma exceção bizarra, ou se é apenas o primeiro exemplo de muitas dessas galáxias que existem no Universo. Nós sabemos isso existem muitas maneiras de separar a matéria normal da matéria escura , e que muitos desses mecanismos devem resultar na formação de grandes aglomerados de matéria normal sozinha, completamente isolada e separada da matéria escura.
DF2 é o primeiro exemplo de tal galáxia, evoluída e em tempos tardios, que parece estar livre de matéria escura. Como os autores colocaram em seu artigo :
Com esta confirmação da dispersão de baixa velocidade de NGC1052-DF2, a questão mais urgente é se esse problema de matéria escura ausente é exclusivo desta galáxia ou se aplica mais amplamente.
Como o telescópio Dragonfly agora planeja cobrir todo o céu no próximo ano, espera-se que galáxias próximas semelhantes possam estar esperando para serem descobertas.
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. (DANIELI ET AL. (2019), ARQUIVO: 1901.03711)
Pela primeira vez, identificamos e medimos uma galáxia que parece ser feita apenas de matéria normal, sem necessidade de matéria escura ou modificações na gravidade para explicar seus movimentos. Ironicamente, a descoberta de uma galáxia sem matéria escura – em meio a um mar de galáxias que exigem grandes quantidades dela – ajuda a provar a validade da imagem rica em matéria escura do Universo. Somente se a matéria normal pudesse ser separada da matéria escura e deixada para formar suas próprias estruturas, tal galáxia seria possível.
Confirmamos agora que NGC 1052-DF2 é a primeira galáxia ultradifusa a não apresentar evidências de matéria escura dentro dela, com seus movimentos internos explicáveis apenas pelas estrelas. Ainda existem mistérios e quebra-cabeças em torno dessa estranheza cósmica, mas com mais e melhores dados chegando, devemos esperar descobrir que há muitos mais parecidos por aí. O Universo nunca deixa de nos surpreender.
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:
