Galáxias satélites vivem no mesmo plano que seus hospedeiros, desafiando as previsões de matéria escura
Uma visão composta da magnífica galáxia Centaurus A, a galáxia ativa mais próxima da Via Láctea. 16 galáxias satélites foram medidas em torno desta galáxia, com 14 delas parecendo estar em um plano de co-rotação, desafiando a expectativa ingênua de simulações de matéria escura fria. Crédito da imagem: ESO/WFI (óptico); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (Submilimétrico); NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (Raio X).
Mas isso é realmente um problema para a teoria? Ou é física para o resgate?
A matéria escura é uma das ideias mais poderosas, mas uma das mais controversas, que surgiram na física moderna. Vemos evidências indiscutíveis de que a matéria normal presente no Universo, composta de prótons, nêutrons e elétrons, não pode explicar o conjunto completo de efeitos gravitacionais por conta própria. Adicionar uma fonte adicional de massa com propriedades particulares, ou seja, matéria escura, traz quase todas as previsões da gravitação de acordo com o que vemos. No entanto, uma das previsões da matéria escura é que galáxias satélites pequenas e anãs devem se formar em um grande halo ao redor de grandes galáxias. No entanto, ao redor da Via Láctea, Andrômeda e agora Centaurus A, eles não vivem em um halo, mas em um disco. O pesquisadores fazendo o mais recente estudo afirmam que este é um grande desafio para a imagem padrão da cosmologia da matéria escura fria (MDL). Mas é mesmo? Descobrir requer um olhar profundo.
Um olhar detalhado sobre o Universo revela que ele é feito de matéria e não de antimatéria, que a matéria escura e a energia escura são necessárias e que não sabemos a origem de nenhum desses mistérios. Crédito da imagem: Chris Blake e Sam Moorfield.
Sempre que você tem uma teoria convincente, simples, que resolve uma série de problemas, mas cuja previsão fundamental só pode ser detectada indiretamente, é provável que haja opositores. A inflação cósmica, por exemplo, explica a origem do nosso Universo, mas apenas seus efeitos remanescentes podem ser vistos hoje. A energia escura explica perfeitamente a expansão acelerada do Universo, mas não há nenhuma maneira conhecida de investigar sua causa subjacente. E a matéria escura, frustrantemente, explica todo um conjunto de observações cosmológicas, desde a dinâmica de galáxias individuais até a teia cósmica de grande escala até as flutuações no brilho remanescente do Big Bang. Mas ninguém jamais detectou diretamente uma partícula de matéria escura. Indiscutivelmente, ninguém sequer chegou perto. Ainda assim, isso não significa que a matéria escura não seja real; significa que temos que ser extremamente cuidadosos em nossas análises.
De acordo com modelos e simulações, todas as galáxias deveriam estar embutidas em halos de matéria escura, cujas densidades atingem os centros galácticos. No entanto, espera-se que um grande número de aglomerados de sub-halo esteja presente, escondendo galáxias em miniatura em seu interior. Sua distribuição deve ser semelhante a um halo, não a um disco. Crédito da imagem: NASA, ESA e T. Brown e J. Tumlinson (STScI).
O problema das galáxias satélites é um verdadeiro enigma, já que há muita física intrincada envolvida. Quando você executa uma simulação de matéria escura, é um recurso universal que, ao longo do tempo, você constrói grandes halos de matéria escura que se fundem, correspondendo às grandes galáxias espirais e elípticas que conhecemos hoje. Mas ao seu redor estão sub-halos menores, que aparecem, em simulações, em todas as orientações ao redor da galáxia maior. Na prática, porém, as pequenas galáxias satélites que realmente vemos aparecem em um plano: o mesmo plano orbital em que o disco da galáxia principal é encontrado.
As galáxias anãs encontradas em órbita ao redor da galáxia Centaurus A mostram uma orientação clara no plano da galáxia, um desafio para as teorias CDM explicarem. Crédito da imagem: O. Muller et al., Science 359, 6375 (2018).
Além disso, embora a expectativa ingênua seja que essas galáxias anãs também exibam movimentos aleatórios, o que observamos mostra evidências significativas de que esses satélites estão em co-rotação com a própria galáxia principal. Isso foi encontrado primeiro para a Via Láctea e Andrômeda, e nova pesquisa indica que isso também é verdade para Centaurus A, com 14 das 16 galáxias satélites descobertas parecendo co-rotar junto com a galáxia central.
Ou algo está escondendo esses halos, algo está errado com as simulações ou algo não é totalmente explicado pela matéria escura. Vejamos cada uma das possibilidades.
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. Crédito da imagem: Observatórios Marla Geha e Keck.
1.) Esses halos são reais, mas os satélites anões fora do disco são muito difíceis de ver . O problema do satélite perdido é antigo na cosmologia, já que simulações do MDL há muito indicam muito mais galáxias anãs em torno de grandes galáxias do que descobrimos. Recentemente, um número significativo de galáxias anãs ultra-fracas foram encontrados , principalmente nas proximidades. Eles são mais fracos do que os aglomerados de estrelas abertos encontrados na Via Láctea, com muitos contendo apenas centenas de estrelas, apesar das massas de matéria escura nas centenas de milhares de massas solares. No entanto, isso não explica totalmente o problema de orientação, pois o avião parece ser real.
Além disso, o argumento de que essas anãs estariam ocultas deve se aplicar apenas à Via Láctea, já que apenas seu plano obscurecerá os satélites. A observação dos satélites de Centaurus A e Andrômeda parecem acabar com isso. Existem argumentos sobre se todos os planos observados são dinamicamente estáveis em longas escalas de tempo , mas não parece que as anãs pequenas e ausentes possam explicar o alinhamento planar inesperado.
Projeção em grande escala através do volume Illustris em z=0, centrado no aglomerado mais massivo, 15 Mpc/h de profundidade. Mostra a densidade da matéria escura (esquerda) em transição para a densidade do gás (direita). A estrutura em grande escala do Universo não pode ser explicada sem matéria escura, embora existam muitas tentativas de gravidade modificada. Estruturas de menor escala, no entanto, muitas vezes apresentam problemas para simulações de matéria escura. Crédito da imagem: Colaboração Illustris / Simulação Illustris.
2.) As simulações que preveem uma distribuição de satélites semelhante a um halo são falhas . Esta é uma explicação potencial que deve ser levada muito a sério. Há um número muito grande de processos em jogo na evolução galáctica, incluindo fusões de galáxias menores para construir as maiores, influindo matéria nessas galáxias e os fluxos de matéria escura e normal ao longo de filamentos cósmicos. Esses filamentos são conhecidos por funcionar como uma espécie de rodovia galáctica, canalizando pequenas galáxias para as maiores ao longo de bilhões de anos. Além disso, existem efeitos de feedback da formação de estrelas, e a interação de gás, plasma e radiação pode desempenhar um papel que não é bem explicado em simulações de CDM padrão. A distribuição tipo halo pode não ser uma característica genérica, afinal, quando todos esses outros efeitos físicos são considerados.
Como visto na luz visível, a galáxia Centaurus A parece uma mistura de uma galáxia dominada por disco e uma galáxia elíptica. As observações dos satélites que o orbitam, no entanto, desafiam a explicação convencional do MDL, não importa como você o corte. Crédito da imagem: Christian Wolf & SkyMapper Team/Australian National University.
3.) Algo está errado com a própria ideia de matéria escura . A importância relativa dos efeitos físicos listados acima, no entanto, é muito debatida. Como os autores do novo artigo eles mesmos observam: Apesar de acharmos que a cinemática dos satélites [Centaurus] A provavelmente não ocorre por acaso, isso não nos permite imediatamente tirar conclusões sobre sua concordância com as previsões da cosmologia [da matéria escura fria]. As simulações mais modernas não conseguem reproduzir o que é observado em torno de galáxias como Centaurus A, Via Láctea e Andrômeda, e os autores do presente artigo afirmam que essa tensão, portanto, favorece uma alternativa à explicação da matéria escura. É eminentemente possível, como sugerido pelos autores, que esses satélites surjam de uma grande fusão histórica entre duas galáxias de tamanho comparável. Essa também é uma possibilidade muito debatida, mas interessante.
As fusões de galáxias são comuns e, com o passar do tempo, todas as galáxias gravitacionalmente ligadas em grupos e aglomerados acabarão por se fundir em uma única galáxia no núcleo de cada estrutura ligada. Quando ocorrem grandes fusões, o resultado é muitas vezes uma elíptica gigante, mas ninguém sabe ao certo o que acontece no que diz respeito às galáxias satélites anãs. Crédito da imagem: A. Gai-Yam / Weizmann Inst. da Ciência / ESA / NASA.
Cada perspectiva tem algumas evidências para apoiá-la, mas é bastante claro que a previsão de uma distribuição semelhante a um halo de todos os satélites, exceto os menores, não é o que o Universo nos dá. Para três grandes galáxias, agora – a Via Láctea, Andrômeda e Centaurus A – os fatos observacionais parecem mostrar que galáxias satélites anãs aparecem em um plano ao redor dessas grandes galáxias. Além disso, há evidências sugestivas de que essas galáxias anãs estão em movimento junto com a rotação da grande galáxia. No entanto, quando você olha para o Universo próximo, há um fator importante em jogo: há fluxos locais de matéria, tanto normal quanto escuro, para essas galáxias também. Se há uma direção preferencial de como a matéria cai nessas galáxias, deve haver uma direção preferencial para os satélites anões que se ligam a elas.
A figura mostra o fluxo atual de galáxias - o fluxo ao longo da super-rodovia cósmica e na ponte para Virgem, na região ao redor da Via Láctea, Andrômeda e Centaurus A. Crédito da imagem: 'Planes of Satellite Galaxies and the Cosmic Web ,' Noam Libeskind et al., 2015.
Em 2015, uma equipe liderada por Noam Libeskind descobriu esse efeito exato . Esta é a primeira vez que tivemos uma verificação observacional de que grandes super-rodovias filamentares estão canalizando galáxias anãs através do cosmos ao longo de magníficas pontes de matéria escura, disse Libeskind na época. Agora, quase três anos depois, a imagem é confirmada com dados melhores e com precisão ainda maior. Não há indicações adicionais de que a matéria escura seja mais ou menos provável do que era anteriormente neste novo estudo. No entanto, essa equipe atual é mais cética em relação ao MDL em geral e mais inclinada a procurar explicações alternativas, como grandes fusões, para a origem dos satélites no plano.
Quatro aglomerados de galáxias em colisão, mostrando a separação entre os raios X (rosa) e a gravitação (azul), indicativo de matéria escura. Em grandes escalas, o MDL é necessário, mas em pequenas escalas, ele não é tão bem sucedido sozinho quanto gostaríamos. Crédito da imagem: Raio-X: NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Óptico/Lente: CFHT/UVic./A. Mahdavi et ai. (superior esquerdo); Raio X: NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al.; Óptico: NASA/STScI/UCDavis/W.Dawson et al. (canto superior direito); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF, Milão, Itália)/CFHTLS (canto inferior esquerdo); Raio-X: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Universidade da Califórnia, Santa Bárbara) e S. Allen (Universidade de Stanford) (canto inferior direito).
Em uma entrevista com o coautor do estudo Marcel Pawlowski, da Universidade da Califórnia, Irvine, ele relatou o seguinte:
Em grandes escalas, o [CDM] é realmente bem-sucedido. Acho que, em geral, devemos nos tornar mais diversificados em nossas abordagens. O MOND, por outro lado, é muito bem-sucedido em prever dinâmicas de pequena escala. Estou realmente empolgado com as possibilidades que combinam os sucessos de ambos. A matéria escura superfluida é uma possibilidade tão interessante, que oferece os sucessos em larga escala da matéria escura, mas também reproduz um efeito MOND em pequenas escalas. Acho que devemos encorajar e investigar mais essas possibilidades. Não acho que devemos desistir de nada, mas acho que o campo deve buscar essas abordagens alternativas.
No entanto, assim como a descoberta de que elementos pesados foram feitos em estrelas, e não no Universo primitivo, não invalidou o Big Bang, é possível que duas perspectivas concorrentes estejam corretas. É possível que a matéria bariônica, criadora de galáxias, flua para as galáxias através das vias filamentares, que o CDM seja responsável pela estrutura e características em grande escala do Universo, e Além disso que esses satélites anões surgem das próprias grandes fusões, não das previsões do MDL. Se esse fosse o caso, no entanto, esperaríamos que as galáxias splashback fossem dominadas por bárions, não por matéria escura. Curiosamente, galáxias satélites anãs mostrar uma mistura : em alguns casos, os resultados concordam com a previsão de halos de MDL, enquanto em outros, as previsões de MDL parecem superestimar grosseiramente a massa de matéria escura. Um modelo unificado, responsável pelo conjunto completo de observações, ainda nos escapa.
Diferentes fotos de uma simulação da fusão das galáxias Via Láctea e Andrômeda. Quando ocorre uma grande fusão como essa, pode ser que uma grande quantidade de detritos seja levantada, criando galáxias satélites dominadas por matéria normal. Crédito da imagem: NASA, ESA, Z. Levay, R. van der Marel, T. Hallas e A. Mellinger.
Então quem está certo? À medida que as simulações se tornam melhores em adicionar dinâmicas adicionais, como interações matéria escura/radiação/matéria normal, feedback de formação estelar, efeitos de velocidade peculiares locais e muito mais, elas combinam melhor com as observações, mas ainda não perfeitamente e certamente não universalmente. Por outro lado, alternativas à matéria escura ainda sofrem as mesmas falhas ao tentar reproduzir a teia cósmica, o fundo cósmico de microondas ou a dinâmica de colisões de aglomerados de galáxias. No entanto, é importante manter a mente aberta enquanto falta a evidência definitiva para o MDL, e também lembrar que este é um quebra-cabeça que pode dizer mais sobre a evolução e fusões de galáxias do que sobre a matéria escura. Como diz Michael Boylan-Kolchin, os resultados podem levar a uma melhor compreensão da formação de galáxias dentro do modelo de [matéria escura fria] ou a um esforço para derrubar suas suposições subjacentes.
Devido ao conjunto completo de seus sucessos em todas as escalas, a matéria escura está aqui para ficar, pelo menos por enquanto. No entanto, a formação e evolução de galáxias, particularmente em escalas cada vez menores, continuará sendo uma área ativa de pesquisa com muitos quebra-cabeças não resolvidos nos próximos anos.
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 .
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