• Começa Com Um Estrondo

Essas duas galáxias não podem existir sem matéria escura

A galáxia elíptica gigante NGC 1052 (à esquerda) domina o aglomerado do qual faz parte, embora muitas outras grandes galáxias estejam presentes, como a espiral gigante NGC 1042. Perto dessas galáxias estão pequenas galáxias ultra difusas pouco visíveis, conhecidas como NGC 1052-DF2 e NGC 1052-DF4 (ou apenas DF2 e DF4 para abreviar) que parecem ser feitos apenas de matéria normal se estiverem à distância de NGC 1052: 60 a 70 milhões de anos-luz de distância. (BLOCO DE ADAM/MONTE LEMMON SKYCENTER/UNIVERSIDADE DO ARIZONA)

De galáxias sem matéria escura a galáxias com centenas de vezes mais matéria escura do que o normal, nosso Universo precisa mais do que nunca.

Uma das substâncias mais misteriosas de todo o Universo é a matéria escura. Gravitacionalmente, há muito mais massa em grandes estruturas do que a matéria normal sozinha – mesmo incluindo a matéria normal que não emite luz – pode explicar. De galáxias girando individualmente para grupos e aglomerados de galáxias para a estrutura em grande escala do Universo até mesmo as imperfeições no Fundo de Microondas Cósmicas, a mesma proporção de 5 para 1 de matéria escura para matéria normal é necessária para fazer o Universo adicionar acima.

Mas quando olhamos para galáxias pequenas e de baixa massa, a história deve mudar drasticamente se a matéria escura for real. Algumas galáxias colidem e interagem, expelindo grandes quantidades de matéria normal no processo; que a matéria normal deveria então se contrair gravitacionalmente para formar pequenas galáxias com quase nenhuma matéria escura. Da mesma forma, pequenas galáxias que formam muitas novas estrelas irão gerar radiação, capaz de ejetar a matéria normal, mas deixando toda a matéria escura intacta. Se ambos os tipos de galáxias forem encontrados, com proporções amplamente incompatíveis, a matéria escura deve ser real. A evidência existe, e o que aprendemos é notável.

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. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS INGO BERG/FORBES/E. SIEGEL)

A maneira como a cosmologia teórica – um ramo da astrofísica teórica – funciona geralmente é direta, mas difícil de visualizar. O que fazemos é:

• tentar, a partir de nossas observações, entender do que é feito o Universo hoje,
• aprender, com nossos experimentos, quais são as leis e regras que o regem,
• para medir certas propriedades, como a rapidez com que está se expandindo, quantos anos tem,

e então simular como o Universo deveria se parecer com base em nossa compreensão.

Essas simulações começam em algum momento inicial, quando o Universo era mais simples, mais uniforme, mais quente e mais denso. À medida que se expande e esfria, as diferentes formas de energia – incluindo matéria normal, radiação, neutrinos e (se estiver presente) matéria escura – interagem de acordo com as leis que as regem. Essas simulações podem nos dizer que tipos de estruturas se espera que se formem no Universo, dando-nos um conjunto de previsões em vários cenários e circunstâncias, para comparar nossas observações.

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)

Quando olhamos para as estruturas de grande escala no Universo, essas simulações fazem um trabalho notável de alinhamento com o que nossas observações revelam. Simulações e observações produzem uma intrincada teia cósmica, consistente até mesmo nos detalhes específicos de como as galáxias se aglomeram e se aglomeram. As características do fundo de micro-ondas cósmicas requerem uma proporção de cinco para um de matéria escura para matéria normal. Em grupos e aglomerados de galáxias, a matéria escura é necessária para explicar como os membros do aglomerado permanecem ligados, para explicar os efeitos de lentes gravitacionais observados e para explicar por que os raios X são emitidos em um local deslocado da massa total quando esses grupos ou aglomerados colidir.

Nas escalas de grandes galáxias individuais, as regiões internas parecem ser dominadas pela matéria normal, enquanto as regiões mais próximas da periferia são influenciadas por alguma adição, massa invisível: matéria escura. Enquanto a matéria normal não apenas gravita, mas também colide, interage, gruda e emite ou absorve radiação, a matéria escura só interage gravitacionalmente. A matéria normal afunda em direção ao centro de cada galáxia, enquanto a matéria escura permanece distribuída em um halo difuso e de grande volume.

Um halo aglomerado de matéria escura com densidades variadas e uma estrutura difusa muito grande, como previsto por simulações, com a parte luminosa da galáxia mostrada em escala. Observe a presença da subestrutura do halo, que desce até escalas muito pequenas. (NASA, ESA E T. BROWN E J. TUMLINSON (STSCI))

Em cada um desses casos, você pode colocar na mesma proporção de matéria escura para matéria normal: cinco para um. Para cada próton no Universo - um exemplo de matéria normal - deve existir cinco vezes mais massa na forma de matéria escura invisível. Isso vale para as flutuações no fundo cósmico de micro-ondas, as características encontradas em toda a teia cósmica, aglomerados e grupos de galáxias e até galáxias grandes, individuais e isoladas.

Mas quando as galáxias interagem, se fundem ou formam grandes rajadas de novas estrelas, essas proporções podem mudar significativamente. Lembre-se: a matéria escura só interage gravitacionalmente, enquanto a matéria normal também pode:

• colidem com partículas de matéria normal,
• experimentar a pressão da radiação,
• absorver energia, excitando átomos ou ionizando-os inteiramente,
• irradiar energia,
• e ficar juntos, dissipar energia e perder o momento angular das interações.

É por isso que, quando vemos uma galáxia acelerando através de um ambiente rico em matéria, como o espaço entre galáxias dentro de um aglomerado massivo, a matéria normal dentro dela pode ser totalmente removida.

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. A remoção é muito mais pronunciada nos ambientes de aglomerados de galáxias ricas, como ilustrado aqui. (NASA, ESA AGRADECIMENTOS: MING SUN (UAH) E SERGE MEUNIER)

Essa remoção é devido a colisões entre a matéria normal dentro da galáxia e a matéria normal no ambiente externo através do qual ela se move, mas existem outros mecanismos que também podem separar com sucesso a matéria escura da matéria normal.

Quando as galáxias colidem e se fundem, ou quando têm um encontro próximo, ambas as galáxias experimentarão o que é conhecido como perturbação das marés: onde a força gravitacional no lado da galáxia mais próxima de sua vizinha é maior do que a força mais distante de sua vizinha. Essa força diferencial faz com que a galáxia se alongue e pode retirar matéria de ambas as galáxias se a configuração estiver correta.

Além disso, onde você tem grandes quantidades de matéria normal para desencadear uma explosão de formação de estrelas, a radiação e os ventos dessas novas estrelas – particularmente se algumas delas são estrelas de alta massa que produzem grandes quantidades de luz ultravioleta – podem expelir o matéria normal que ainda não formou estrelas, deixando a matéria escura intocada.

A galáxia starburst Messier 82, com a matéria sendo expelida como mostrado pelos jatos vermelhos, teve essa onda de formação estelar atual desencadeada por uma interação gravitacional próxima com sua vizinha, a brilhante galáxia espiral Messier 81. Uma fração significativa da matéria normal pode ser ejetado de um evento como este, particularmente para galáxias de massa baixa, enquanto a matéria escura permanece intocada. (NASA, ESA, EQUIPE HUBBLE HERITAGE, (STSCI / AURA); AGRADECIMENTOS: M. MOUNTAIN (STSCI), P. PUXLEY (NSF), J. GALLAGHER (U. WISCONSIN))

Em outras palavras, toda estrutura que se forma no Universo deve se formar inicialmente com a mesma proporção universal de matéria escura para matéria normal: 5 para 1. Mas quando as estrelas se formam, quando as galáxias interagem ou se fundem, e quando as galáxias aceleram através de regiões ricas em matéria, a matéria normal pode ser expurgada dessas estruturas, com efeitos mais severos ocorrendo para galáxias de menor massa. Em particular, isso deve resultar em dois tipos de galáxias de baixa massa que não têm as mesmas proporções de matéria escura para matéria normal que todo o resto.

1. Deve haver galáxias que perderam a maior parte de sua matéria normal, seja por meio de interações ou por expulsão da formação de estrelas, mas ainda têm toda a sua matéria escura intacta. Exceto por uma pequena população de estrelas, suas proporções de matéria escura para matéria normal podem ser muito maiores que 5 para 1, particularmente para galáxias de massa extremamente baixa.
2. Deve haver galáxias que se formam a partir da matéria normal que é retirada dessas galáxias e colapsa ao longo dos tempos cósmicos. Essas galáxias devem ser fisicamente pequenas, de baixa massa e pobres em matéria escura ou livres de matéria escura, com uma composição de até 100% de matéria normal sozinha.

Galáxias anãs, como a que foi fotografada aqui, geralmente têm uma proporção de matéria escura para matéria normal muito maior do que 5 para 1, já que explosões de formação de estrelas expeliram grande parte da matéria normal. Ao medir as velocidades das estrelas individuais (ou as dispersões de velocidade de um continuum de estrelas), podemos inferir a massa total da galáxia e compará-la com a massa da matéria normal que podemos medir. (ESO / PESQUISA DO CÉU DIGITALIZADO 2)

Quando medimos a maioria das galáxias pequenas e de baixa massa, descobrimos que a maioria delas tem estrelas que não apenas se movem mais rapidamente do que a matéria normal sozinha pode explicar, mas que a quantidade de matéria escura necessária para a maioria delas excede significativamente a relação típica de matéria escura para matéria normal.

Uma classe de galáxias - conhecidas como UDGs (galáxias ultradifusas) - são naturalmente de baixa luminosidade, mas ainda têm grandes massas gravitacionais. Normalmente, t Suas proporções de massa para luz são de cerca de 30 para 1 , cerca de um fator de seis maiores do que o normal, galáxias não ultradifusas. Eles existem, são abundantes e fornecem evidências de que a matéria escura se comporta de maneira diferente da matéria normal, que é apenas não luminosa.

Mas as galáxias mais severas de todas são conhecidas como Segue 1 e Segue 3 : galáxias anãs que estão bem aqui em nosso próprio quintal cósmico. Segue 1, em particular, é uma das menores e mais fracas galáxias satélites conhecidas: ela emite apenas 300 vezes a luz do nosso Sol, consistindo em cerca de 1000 estrelas no total para criar essa luz. Mas com base nos movimentos de suas estrelas no interior, tem uma massa total de cerca de 600.000 sóis, dando-lhe uma relação massa-luz de ~3400. É o objeto mais dominado pela matéria escura atualmente conhecido.

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. Se a nova pesquisa estiver correta, a matéria escura obedecerá a uma distribuição diferente dependendo de como a formação estelar, ao longo da história da galáxia, a aqueceu. A proporção de matéria escura para matéria normal de ~3400 para 1 é a maior proporção já vista na direção favorável à matéria escura. (OBSERVATÓRIOS MARLA GEHA E KECK)

Por muito tempo, muitas dessas galáxias com proporções acima do normal de matéria escura para matéria normal eram conhecidas, mas não havia nenhuma do outro lado: nenhuma galáxia que parecesse ter uma escassez de matéria escura nelas. Isso tudo mudou com a descoberta de duas galáxias anãs que parecem ser membros satélites de um grupo dominado pela grande galáxia elíptica NGC 1052. Esses dois satélites, NGC 1052-DF2 e NGC 1052-DF4 — chamados de DF2 e DF4 para abreviar — têm luminosidades significativas, mas as estrelas dentro deles parecem estar se movendo muito lentamente: como se não houvesse matéria escura.

Embora muitos tenham contestado as observações, essas conclusões parecem ser robustas. Se olharmos para os ~18.000 anos-luz internos ao redor da galáxia DF2, por exemplo, podemos inferir que existem aproximadamente 100 milhões de massas solares de material lá, devido apenas às estrelas. Quando usamos as melhores medidas, temos que inferir a massa total da galáxia na mesma distância, isso indica uma massa total quase idêntica de apenas ~ 130 milhões de massas solares, embora com incertezas substanciais.

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, considerado livre de matéria escura, só pode existir ao lado de galáxias como Segue 1 e Segue 3 em um universo onde existe matéria escura, mas a história de formação de uma galáxia pode ocorrer de maneiras diferentes. (NASA, ESA E P. VAN DOKKUM (UNIVERSIDADE DE YALE))

A expectativa é de que os próximos anos revelem uma grande variedade dessas galáxias pequenas e de baixa massa, particularmente à medida que instrumentos mais profundos, de alta resolução e campo amplo se tornarem on-line. Prevemos totalmente que o número de galáxias anãs com proporções extremamente grandes de matéria escura para matéria normal será descoberto, com potencialmente muitas mais na faixa de centenas para um ou mesmo milhares para um. Além disso, é razoável especular que galáxias como DF2 e DF4 são realmente comuns, e nossas capacidades de observação estão apenas começando a investigar o que realmente existe.

Na astronomia, o que observamos é sempre tendencioso. Os objetos mais brilhantes e próximos de nós sempre são os mais fáceis de encontrar, enquanto os mais fracos e distantes representam a maioria do que existe no Universo. Segue 1 e Segue 3, os objetos com os mais severos aprimoramentos de matéria escura, estão localizados dentro do halo da Via Láctea (muito próximo), enquanto DF2 e DF4 estão entre as galáxias satélites anãs mais brilhantes em seu campo de visão.

Quando olhamos para todas as galáxias anãs de baixa massa juntas, vemos que elas realmente exibem uma enorme variedade de razões massa-luz.

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, e mais tarde se juntou a DF4 no início de 2019. Galáxias como Segue 1 e Segue 3, no entanto, estão muito altas e agrupadas à esquerda desta gráfico; estas são as galáxias mais ricas em matéria escura conhecidas: as menores e de menor massa. (DANIELI ET AL. (2019), ARXIV: 1901.03711)

Por um lado, a quantidade total de luz estelar que podemos medir a partir de galáxias nos dá informações sobre as massas e populações das estrelas no interior: se medirmos a luz estelar, sabemos o suficiente sobre astronomia para tirar conclusões sobre quanta massa a população estelar contribui para a galáxia. Por outro lado, medindo como as estrelas na galáxia se movem, seja a partir de dispersões de velocidade, rotação em massa ou movimentos estelares individuais, nos diz quanta massa total está dentro.

Somente se a matéria escura existe e não possui as interações padrão possuídas pela matéria normal, esperaríamos que algumas galáxias anãs não exibissem evidências de matéria escura, enquanto outras dão indicações de que elas têm muito mais matéria escura do que regiões típicas. O fato de galáxias como Segue 1 existirem no mesmo Universo onde existem galáxias como DF2 não apenas nos mostra que a matéria escura é necessária, mas mostra a variedade de maneiras pelas quais as estruturas surgem e evoluem em nosso Universo. Nossa compreensão astrofísica da matéria escura e das estruturas que ela forma está preparada para crescer extraordinariamente à medida que os principais telescópios da década de 2020 entrarem em operação. É um ótimo momento para estar vivo.

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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