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Cientistas descobrem a maior ponte intergaláctica do espaço, resolvendo um enorme quebra-cabeça de matéria escura

Esta imagem mostra uma composição de dados ópticos, de raios-X, microondas e rádio das regiões entre os aglomerados de galáxias em colisão Abell 399 e Abell 401. Os raios-X estão concentrados perto de onde os aglomerados estão, mas há uma clara ponte de rádio entre eles (Em azul). (M. MURGIA / INAF, COM BASE EM F. GOVONI ET AL., 2019, CIÊNCIA)

Os opositores da matéria escura se agarraram a um pequeno quebra-cabeça. Esta nova descoberta pode tê-lo resolvido completamente.

Imagine o maior choque cósmico que você puder. Pegue as maiores estruturas gravitacionalmente ligadas que conhecemos – enormes aglomerados de galáxias que podem conter milhares de galáxias do tamanho da Via Láctea – e permita que elas se atraem e se fundam. Com galáxias individuais, estrelas, gás, poeira, buracos negros, matéria escura e muito mais dentro, é provável que haja não apenas fogos de artifício, mas novos fenômenos astrofísicos que podem não aparecer em outras partes do Universo.

O gás dentro desses aglomerados pode aquecer, interagir e desenvolver choques, causando a emissão de radiação espetacularmente energética. A matéria escura pode passar por todo o resto, separando seus efeitos gravitacionais da maioria da matéria normal. E, em teoria, partículas carregadas podem acelerar tremendamente, criando campos magnéticos coerentes que podem abranger milhões de anos-luz. Pela primeira vez, foi descoberta uma ponte intergaláctica entre dois aglomerados em colisão, com tremendas implicações para o nosso Universo.

Esta imagem do Chandra mostra uma visão em grande escala do aglomerado de galáxias MACSJ0717, onde a caixa branca mostra o campo de visão de uma imagem composta Chandra/HST disponível. A linha verde mostra a posição aproximada do filamento de grande escala que leva ao aglomerado, sugerindo uma conexão entre a grande teia cósmica e os aglomerados de galáxias que povoam nosso Universo. (NASA / CXC / IFA / C. MA ET AL.)

Em nosso cosmos, as estruturas astronômicas não são todas iguais. Os planetas são ofuscados pelas estrelas, que são muito menores em escala do que os sistemas solares. Coleções de muitas centenas de bilhões desses sistemas são necessárias para formar uma grande galáxia como a Via Láctea, enquanto grupos e aglomerados galácticos podem conter milhares de galáxias do tamanho da Via Láctea. Nas maiores escalas de todas, esses enormes aglomerados de galáxias podem colidir e se fundir.

Em 2004, dois conjuntos de observações chegaram sobre um par de aglomerados de galáxias nas proximidades: 1E 0657–558, mais comumente conhecido como Bullet Cluster. Apenas a partir de uma imagem óptica, duas densas coleções de galáxias – os dois aglomerados independentes – podem ser claramente identificadas.

O aglomerado Bullet, o primeiro exemplo clássico de dois aglomerados de galáxias em colisão, onde o efeito chave foi observado. Na óptica, a presença de dois aglomerados próximos (esquerda e direita) pode ser claramente discernida. (NASA/STSCI; MAGELLAN/U.ARIZONA/D.CLOWE ET AL.)

Há então duas coisas adicionais que você pode fazer para obter informações adicionais sobre o que está acontecendo neste sistema. Uma medida fisicamente interessante que você pode fazer é observar a luz de todas as galáxias que você pode ver na imagem e identificar quais estão atrás (galáxias de fundo) dos aglomerados versus quais estão na frente (galáxias em primeiro plano) deles.

Quando você olha para as galáxias em primeiro plano, suas orientações devem ser aleatórias: elas devem ser circulares, elípticas ou em forma de disco, sem distorção média inclinada para favorecer qualquer direção específica. Mas se houver uma grande massa na frente da luz, deve haver efeitos de lentes gravitacionais que distorcem as imagens de fundo. As diferenças estatísticas na forma entre as galáxias de fundo e de primeiro plano podem fornecer informações sobre quanta massa está localizada em várias posições no espaço, pelo menos do nosso ponto de vista.

Qualquer configuração de pontos de luz de fundo, sejam estrelas, galáxias ou aglomerados de galáxias, será distorcida devido aos efeitos da massa de primeiro plano por meio de lentes gravitacionais fracas. Mesmo com ruído de forma aleatória, a assinatura é inconfundível. Examinando a diferença entre galáxias de primeiro plano (não distorcidas) e de fundo (distorcidas), podemos reconstruir a distribuição de massa de objetos extensos massivos, como aglomerados de galáxias, em nosso Universo. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS TALLJIMBO)

A segunda coisa que você pode fazer é observar exatamente a mesma região do céu em raios-X, usando um observatório de raios-X avançado no espaço. As observações que foram realizadas com o observatório de raios-X Chandra da NASA foram suficientes para fazer exatamente isso. O que Chandra descobriu foi fascinante: dois enormes aglomerados de gás foram vistos, cada um se movendo junto com seu aglomerado de galáxias. Como esperado, há uma enorme quantidade de gás não apenas associada a cada galáxia, mas ao aglomerado como um todo.

Mas o que foi inesperado foi a descoberta de que o gás, compondo cerca de 13 a 15% da massa total do aglomerado, estava realmente separado dos efeitos gravitacionais! De alguma forma, a matéria normal e os efeitos gravitacionais foram separados, como se a massa total tivesse simplesmente passado direto. Este resultado foi tomado como evidência astrofísica esmagadora para a existência de matéria escura.

O mapa de lentes gravitacionais (azul), sobreposto aos dados ópticos e de raios-X (rosa) do aglomerado Bullet. A incompatibilidade das localizações dos raios X e da massa inferida é inegável . (RAIO X: NASA/CXC/CFA/M.MARKEVITCH ET AL.; LENSING MAP: NASA/STSCI; ESO WFI; MAGELLAN/U.ARIZONA/D.CLOWE ET AL.; ÓPTICO: NASA/STSCI; MAGELLAN/U .ARIZONA/D.CLOWE ET AL.)

Desde então, mais de uma dúzia de outros grupos e aglomerados de galáxias foram vistos colidindo uns com os outros, cada um demonstrando o mesmo efeito. Antes de uma colisão, se um aglomerado emite raios X, esses raios X estão associados ao próprio aglomerado, e qualquer distorção gravitacional é encontrada coincidente com a localização das galáxias e do gás.

Mas após uma colisão, o gás emissor de raios-X é deslocado da matéria, o que implica que a mesma física está em jogo. Quando os clusters colidem:

• as galáxias ocupam apenas um pequeno volume dentro de cada aglomerado e passam direto,
• o gás intracluster interage e aquece, emitindo raios X e desacelerando,
• enquanto a matéria escura, que deve ocupar um enorme halo ao redor de cada aglomerado, também passa, afetada apenas pela gravitação.

Em cada grupo e aglomerado em colisão que observamos, a mesma separação de gás de raios-X e matéria geral é vista.

Os mapas de raios-X (rosa) e de matéria geral (azul) de vários aglomerados de galáxias em colisão mostram uma clara separação entre a matéria normal e os efeitos gravitacionais, algumas das evidências mais fortes da matéria escura. Embora algumas das simulações que realizamos indiquem que alguns aglomerados podem estar se movendo mais rápido do que o esperado, as simulações incluem apenas a gravitação e outros efeitos também podem ser importantes para o gás. (RAIO X: NASA/CXC/ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE, SUÍÇA/D.HARVEY NASA/CXC/DURHAM UNIV/R.MASSEY; MAPA ÓPTICO/LENSING: NASA, ESA, D. HARVEY (ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE, SUÍÇA) E R. MASSEY (DURHAM UNIVERSITY, Reino Unido))

Você pode pensar que essa prova empírica da matéria escura, vista em tantos sistemas independentes, influenciaria qualquer cético razoável. Teorias alternativas da gravidade foram inventadas para tentar explicar o desalinhamento entre o sinal da lente gravitacional e a presença de matéria, postulando um efeito não local que resultava em uma força gravitacional compensada pela matéria. Mas qualquer teoria que funcionasse para um alinhamento particular de aglomerados em colisão falhou em explicar aglomerados em um estado pré-colisional. 15 anos depois, as alternativas ainda não explicam ambas as configurações.

Mas um Universo com matéria escura tem um ônus de prova muito alto: tem que explicar cada propriedade observada desses aglomerados. Embora muitos desses grupos e aglomerados em colisão tenham velocidades previstas por um Universo rico em matéria escura, o aglomerado Bullet – o exemplo original – se move com extrema rapidez.

A formação da estrutura cósmica, tanto em grande quanto em pequena escala, é altamente dependente de como a matéria escura e a matéria normal interagem. Apesar da evidência indireta da matéria escura, adoraríamos poder detectá-la diretamente, o que só pode acontecer se houver uma seção transversal diferente de zero entre a matéria normal e a matéria escura. As estruturas que surgem, no entanto, incluindo aglomerados de galáxias e filamentos de maior escala, são indiscutíveis. (COLABORAÇÃO DISTINTA / SIMULAÇÃO FAMOSA)

Quando você conhece os ingredientes do seu Universo e as leis da física que governam o que está nele, você pode executar simulações para prever que tipos de estrutura em grande escala surgem. Quando incluímos simulações apenas com gravitação, os aglomerados de colisão mais rápida que prevemos se movem mais lentamente do que o aglomerado Bullet; a probabilidade de ter um único exemplo como esse em nosso Universo é inferior a 1 em um milhão.

Quando contrariamos as probabilidades cósmicas assim, exigimos uma explicação. Embora seja sempre possível que nosso Universo seja simplesmente um ganhador de loteria em termos do que está presente nele, essa observação representa um problema legítimo. Ou as observações estavam erradas, ou alguma outra coisa – algum mecanismo físico – está fazendo com que essa matéria normal acelere além do que os efeitos gravitacionais por si só indicariam.

A galáxia Centaurus A é o exemplo mais próximo de uma galáxia ativa da Terra, com seus jatos de alta energia causados ​​pela aceleração eletromagnética em torno do buraco negro central. Se campos eletromagnéticos em larga escala podem existir entre dois aglomerados de galáxias em colisão, eles podem ser responsáveis ​​por gerar velocidades de partículas maiores do que a gravidade sozinha parece permitir. (NASA/CXC/CFA/R.KRAFT ET AL.)

Uma possibilidade para isso seria um campo elétrico ou magnético em grande escala. Quando partículas carregadas (como prótons e elétrons, que ajudam a compor a matéria normal do Universo) encontram um campo eletromagnético, elas aceleram. Enquanto os aglomerados de galáxias normalmente se formam na interseção de filamentos cósmicos e são movidos por matéria escura, também há matéria normal presente, grande parte da qual está na forma de um plasma ionizado.

Partículas carregadas em movimento devem gerar campos magnéticos e, quando objetos caem em um aglomerado de galáxias, isso gera campos magnéticos e partículas relativísticas de movimento rápido, como elétrons. Quando os elétrons se movem rapidamente na presença de um campo magnético, eles exibem um tipo especial de radiação conhecida como radiação síncrotron, que poderia ser revelada se os cientistas observassem os comprimentos de onda corretos da luz.

A imagem em escala real dos aglomerados de galáxias em colisão Abell 399 e Abell 401 mostra dados de raios-X (vermelho), dados de micro-ondas Planck (amarelo) e dados de rádio LOFAR (azul) todos juntos. Os aglomerados de galáxias individuais são claramente identificáveis, mas a ponte de rádio de elétrons relativísticos conectados por um campo magnético de 10 milhões de anos-luz de comprimento é incrivelmente esclarecedora. (M. MURGIA / INAF, COM BASE EM F. GOVONI ET AL., 2019, CIÊNCIA)

Em um novo estudo publicado na edição de 7 de junho de 2019 da Science, os cientistas usaram o radiotelescópio LOFAR para encontrar exatamente esse efeito, pela primeira vez, em um par de aglomerados de galáxias em colisão. Federica Govoni e seus colegas usaram o LOFAR para observar a região entre os aglomerados de galáxias Abell 0399 e Abell 0401, e detectaram um cume de emissões de rádio de baixa frequência que se estendem entre eles.

A emissão indica a presença de um campo magnético conectando os dois aglomerados e uma população de elétrons relativísticos abrangendo o filamento cósmico que os une. Esses dois aglomerados de galáxias estão separados no espaço por uma distância de aproximadamente 10 milhões de anos-luz, o que tornaria esse campo magnético e os elétrons que o revestem uma das maiores estruturas conhecidas no Universo.

Conforme fotografado pelo satélite Planck (em amarelo), a ponte de gás quente conectando Abell 399 e Abell 401 foi descoberta em 2012. Foi a primeira detecção conclusiva de uma ponte de gás quente conectando um par de aglomerados de galáxias no espaço intergaláctico. Pensa-se agora que desempenha um papel importante nos aglomerados do tipo Bullet e na formação de galáxias e aglomerados de galáxias em geral. . (COLABORAÇÃO ESA/PLANCK / STSCI/DSS)

Essa crista de rádio também é maior do que a maioria das simulações ingênuas prevê, mas isso é extremamente bom para as teorias da matéria escura. O grande quebra-cabeça para alguns dos aglomerados em colisão que observamos é explicar como essas partículas podem acelerar a velocidades tão grandes. Enquanto isso, esse enorme campo magnético e ponte eletrônica entre os dois aglomerados sugere um mecanismo para reacelerar as partículas presentes no gás intergaláctico: ondas de choque geradas na fusão.

Govoni e seus colegas realizaram exatamente esse tipo de simulação. Sua equipe mostrou que os elétrons localizados entre os aglomerados de galáxias, já se movendo a velocidades próximas à velocidade da luz, poderiam ser reacelerados devido a essas ondas de choque. Se aplicarmos essa descoberta ao aglomerado Bullet, é lógico que esperaríamos encontrar ondas de choque lá também, se olharmos para o gás emissor de raios-X.

As observações de raios-X do Bullet Cluster, feitas pelo observatório de raios-X Chandra. Observe as partes brancas da imagem, que mostram o gás aquecido o suficiente para ser explicado por uma onda de choque. (NASA/CXC/CFA/M.MARKEVITCH ET AL., DA MAXIM MARKEVITCH (SAO))

E eis que esses choques são algumas das primeiras coisas que você percebe se observar as imagens do Chandra do aglomerado Bullet por conta própria! O fato de termos identificado partículas carregadas relativísticas na presença de um campo magnético de grande escala em um par de aglomerados em colisão é fortemente sugestivo dos mesmos efeitos existentes em outros aglomerados. Se esse mesmo tipo de estrutura que existe entre Abell 0399 e Abell 0401 também existe entre outros aglomerados em colisão, poderia resolver essa pequena anomalia do aglomerado Bullet, deixando a matéria escura como a única explicação incontestável para o deslocamento dos efeitos gravitacionais da presença de matéria normal.

É sempre um enorme passo à frente quando podemos identificar um novo fenômeno. Mas, combinando teoria, simulações e observações de outros aglomerados de galáxias em colisão, podemos empurrar a agulha para a frente quando se trata de entender nosso Universo como um todo. É outra vitória espetacular para a matéria escura e outro mistério do Universo que pode finalmente ser resolvido pela astrofísica moderna. Que época para estar vivo.

Correção: depois uma troca no Twitter com um dos cientistas do estudo , o autor lamenta informar ao leitor que a aceleração transmitida pelos campos magnéticos aos elétrons ao longo dessa ponte intergaláctica provavelmente não está relacionada à anomalia de velocidade do aglomerado Bullet. Embora ambos possam ser explicados por efeitos hidrodinâmicos, os efeitos que causam essa emissão de rádio e a aceleração dos elétrons não estão relacionados com a alta velocidade medida dos elementos colisionais do aglomerado Bullet e do gás de raios-X. Ethan Siegel lamenta o erro.

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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