• Começa Com Um Estrondo

É por isso que todas as galáxias não têm a mesma quantidade de matéria escura

A galáxia anã UGC 5340 está formando estrelas irregularmente, provavelmente devido a uma interação gravitacional com uma galáxia companheira que não é retratada aqui. As interações gravitacionais geralmente desencadeiam a formação de novas estrelas, levando ao colapso das nuvens de gás interiores. As galáxias anãs devem ter proporções de matéria escura amplamente variadas, com uma população hipotética, mas transitória, livre de matéria escura emergindo como uma previsão necessária. (NASA, ESA E EQUIPE LEGUS)

Algumas galáxias podem não ter matéria escura. Veja por que você deve se importar.

Existem duas suposições que todos fazem sobre o Universo por razões extremamente boas, mas podem não ser necessariamente verdadeiras. A primeira é que as leis da física que governam o Universo são as mesmas em todos os lugares e em todos os momentos. A segunda é que o Universo nasceu com aproximadamente as mesmas propriedades em todos os lugares. O conjunto completo de observações que fizemos – de estrelas, galáxias, gás, plasma, poeira e todas as formas de luz – são consistentes com essas duas suposições sendo verdadeiras, mas não podemos saber com certeza.

Mas mesmo sendo governado pelas mesmas leis e começando com os mesmos ingredientes não significa necessariamente que tudo com que acabamos hoje será semelhante. O Universo é um lugar bagunçado, cheio tanto de matéria normal capaz de formar estrelas, quanto de matéria escura que apenas gravita, e tem quase 14 bilhões de anos para evoluir. Pode haver 2 trilhões de galáxias em nosso Universo observável, mas elas não são todas iguais. Aqui está a história de como.

O Universo primitivo estava cheio de matéria e radiação, e era tão quente e denso que impedia que todas as partículas compostas se formassem de forma estável na primeira fração de segundo. À medida que o Universo esfria, a antimatéria se aniquila e as partículas compostas têm a chance de se formar e sobreviver. Eventualmente, estrelas e galáxias também podem se formar, e é aí que as coisas realmente ficam interessantes. (COLABORAÇÃO RHIC, BROOKHAVEN)

Imagine o Universo como poderia ter sido em seus estágios iniciais, logo após o Big Bang. É quente, denso e quase perfeitamente uniforme. Para onde quer que você olhe, está cheio de partículas e radiação em quantidades quase idênticas, com variações apenas no nível de ~ 0,003%. Embora a matéria dentro do Universo experimente atração gravitacional, a intensidade da radiação impede que as regiões superdensas cresçam de forma substancial.

Mas isso muda com o tempo, porque o Universo quente, denso e uniforme também está se expandindo e esfriando. Ele fica menos denso, mas mais importante, a radiação dentro dele cai em energia, o que significa que fica menos bom em resistir ao colapso gravitacional da matéria. Com o tempo, as flutuações iniciais de densidade crescem, acumulam matéria suficiente e começam a formar estrelas e galáxias.

As flutuações de frio (mostradas em azul) na CMB não são inerentemente mais frias, mas representam regiões onde há uma maior atração gravitacional devido a uma maior densidade de matéria, enquanto os pontos quentes (em vermelho) são apenas mais quentes porque a radiação em aquela região vive em um poço gravitacional mais raso. Com o tempo, as regiões superdensas terão muito mais probabilidade de se transformar em estrelas, galáxias e aglomerados, enquanto as regiões subdensas terão menos probabilidade de fazê-lo. Inicialmente, todos esses aglomerados de massa deveriam ter a mesma proporção entre matéria escura e matéria normal. (E.M. HUFF, A EQUIPE DO SDSS-III E A EQUIPE DO TELESCÓPIO DO PÓLO SUL; GRÁFICO DE ZOSIA ROSTOMIAN)

Aqui é onde a diversão começa. Agora, temos galáxias jovens e primitivas com uma grande variedade de massas. Os menores podem ter apenas algumas centenas de milhares de massas solares em seu nome, enquanto os que crescem para serem os maiores contêm trilhões ou mesmo quatrilhões de massas solares. Em todo o Universo, cada uma dessas galáxias começa com a mesma proporção de matéria escura para matéria normal que todo o resto: aproximadamente 5 para 1.

Mas não permanece assim. Veja, as galáxias fazem algo de extrema importância: elas formam estrelas. É apenas a matéria normal que forma estrelas, porque apenas a matéria normal pode interagir consigo mesma (através de colisões) ou radiação (através de vários tipos de espalhamento). Enquanto tanto a matéria normal quanto a matéria escura experimentam a gravidade, apenas a matéria normal experimenta as outras forças fundamentais.

Uma das galáxias mais rápidas conhecidas no Universo, acelerando através de seu aglomerado (e sendo despojada de seu gás) a poucos por cento da velocidade da luz: milhares de km/s. Trilhas de estrelas se formam em seu rastro, enquanto a matéria escura continua com a galáxia original. Como a matéria normal responde a todas as forças do Universo, enquanto a matéria escura experimenta apenas forças gravitacionais, elas podem ser separadas umas das outras. (NASA, ESA, JEAN-PAUL KNEIB (LABORATÓRIO DE ASTRÓFÍSICA DE MARSELHA) ET AL.)

Quando as estrelas começam a se formar, acontecem três coisas extraordinárias, as quais normalmente damos como certas.

1. As novas estrelas produzem grandes quantidades de radiação, particularmente radiação ultravioleta, que pode interagir com toda a matéria normal (mas não a matéria escura) em seu entorno.
2. Muitas das estrelas jovens terão ventos estelares fortes, que podem transmitir grandes quantidades de energia à matéria normal (mas não à matéria escura) ao seu redor.
3. A mais massiva entre as novas estrelas acabará se transformando em supernova, causando uma tremenda liberação de energia que, novamente, só é absorvida pela matéria normal, não pela matéria escura.

Enquanto a matéria normal pode absorver grandes quantidades dessa energia liberada, a matéria escura não pode. Na verdade, as únicas mudanças que deve acontecer com a matéria escura são de sua resposta a um potencial gravitacional alterado , impulsionado pela mudança na distribuição da matéria normal.

Zw II 96 na constelação de Delphinus, o Golfinho, é um exemplo de fusão de galáxias localizada a cerca de 500 milhões de anos-luz de distância. A formação de estrelas é desencadeada por essas classes de eventos e pode consumir grandes quantidades de gás dentro de cada uma das galáxias progenitoras, em vez de um fluxo constante de formação de estrelas de baixo nível encontrado em galáxias isoladas. Observe os fluxos de estrelas entre as galáxias em interação. (NASA, ESA, EQUIPE HUBBLE HERITAGE (STSCI/AURA)-ESA/HUBBLE COLABORAÇÃO E A. EVANS (UNIVERSITY OF VIRGINIA, CHARLOTTESVILLE/NRAO/STONY BROOK UNIVERSITY))

O ponto importante a ser lembrado é que, embora a gravidade afete tanto a matéria normal quanto a matéria escura, todas as interações não gravitacionais que ocorrem afetam apenas a matéria normal. Quando as estrelas se formam, queimam seu combustível, emitem ventos ou se transformam em supernovas, que podem transferir energia das estrelas para a matéria normal no ambiente circundante, mas nenhuma dessa energia vai para a matéria escura.

Para galáxias grandes e massivas, há tanta matéria (tanto normal quanto escura) ao redor que, mesmo para os maiores e mais energéticos cataclismos, essas galáxias podem manter toda a sua matéria normal. Mas quando olhamos para galáxias menores que experimentaram quantidades substanciais de formação de estrelas em seu passado, apenas a matéria escura permanece. A maior parte da matéria normal, devido a essas interações e feedbacks, pode ser expelida.

Enquanto as galáxias hospedeiras distantes para quasares e núcleos galácticos ativos podem frequentemente ser fotografadas em luz visível/infravermelha, os próprios jatos e a emissão circundante são melhor visualizados tanto no raio-X quanto no rádio, conforme ilustrado aqui para a galáxia Hercules A. A grande fluxo poderia ejetar o valor de uma pequena galáxia de material, possivelmente levando à criação de uma galáxia livre de matéria escura ou coleção de estrelas no futuro. (NASA, ESA, S. BAUM E C. O'DEA (RIT), R. PERLEY E W. COTTON (NRAO/AUI/NSF), E HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA))

Quando olhamos para as galáxias do Universo que são de baixa massa, como as galáxias anãs, estamos vendo o que resta delas. Embora todos eles provavelmente tenham começado a vida com essa proporção de 5 para 1 de matéria escura para matéria normal, mesmo um episódio leve de formação de estrelas pode ser suficiente para expelir grandes quantidades de matéria normal deles.

Razões de 20 para 1 são comuns quando você chega a apenas alguns milhões de massas solares, e as galáxias anãs de menor massa frequentemente têm até 100 vezes mais matéria escura do que a matéria normal. No extremo mais extremo, existem galáxias tão fracas que contêm apenas alguns milhares de estrelas no total, praticamente sem gás remanescente ou outras fontes de matéria normal. Segue 3, em particular, tem uma proporção de matéria escura para matéria normal estimada em 600 para 1.

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 600 para 1 é a maior proporção já vista na direção favorável à matéria escura. (OBSERVATÓRIOS MARLA GEHA E KECK)

Mas quando grandes galáxias interagem, colidem ou simplesmente passam perto umas das outras, também pode haver rupturas entre o equilíbrio da matéria normal e a matéria escura dentro delas. Existem vários mecanismos que observamos onde isso ocorre .

Quando as galáxias aceleram através de um rico aglomerado de galáxias, há gás intergaláctico com o qual elas se chocam. Em velocidades altas o suficiente, isso pode não apenas desencadear eventos de formação de estrelas, mas também pode remover o gás da galáxia em viagem. Quando as galáxias se fundem, grandes quantidades de material (ou seja, matéria normal) podem ser aceleradas e ejetadas; esses jatos de ejeção são frequentemente visíveis em muitos comprimentos de onda de luz diferentes. Galáxias em interação também exercem forças de maré umas sobre as outras, fazendo com que o gás interno seja puxado para fora de uma (ou ambas) galáxias. Enquanto isso, galáxias ativas – possuindo buracos negros supermassivos – podem ejetar quantidades substanciais de material.

O Voorwerp de Hanny, identificado em 2011, foi o primeiro de cerca de 20 objetos agora conhecidos por ser uma coleção de gás verde e brilhante (por causa do oxigênio ionizado) que se estende por dezenas de milhares de anos-luz encontrados fora de galáxias próximas. Uma versão evoluída de tal objeto poderia criar uma galáxia livre de matéria escura, como se suspeita que DF2 seja. (NASA, ESA, W. KEEL (UNIVERSIDADE DO ALABAMA) E A EQUIPE GALAXY ZOO)

Todos esses métodos são capazes de remover a matéria normal das galáxias e aumentar a proporção de matéria escura para matéria normal. Mas, se você for esperto, provavelmente já percebeu outra coisa que pode ocorrer: você deve ser capaz de formar galáxias com pouca matéria escura ou sem matéria escura.

Por que isso? Porque quando você retira a matéria normal de uma galáxia, ela pode se tornar sua própria entidade. A matéria pode se autogravitar, formando sua própria galáxia anã, seja com uma quantidade reduzida de matéria escura daquela proporção padrão de 5 para 1, ou potencialmente - se a separação de matéria normal e matéria escura for perfeita - sem matéria escura em absoluto. Em talvez uma reviravolta fascinantemente irônica, a descoberta de uma galáxia sem matéria escura provaria empiricamente a existência de matéria escura. Somente se houver dois tipos de matéria (normal e escura) que obedecem a regras diferentes, você pode produzir uma galáxia livre de matéria escura.

NGC 3561A e NGC 3561B colidiram e produziram enormes caudas estelares, plumas e até possivelmente material ejetado que estão se condensando para formar novas galáxias minúsculas. Estrelas jovens e quentes brilham em azul onde a formação estelar rejuvenescida está ocorrendo. Forças, como aquelas entre galáxias, podem destruir estrelas, planetas ou até mesmo galáxias inteiras. (BLOCO DE ADAM/MONTE LEMMON SKYCENTER/UNIVERSIDADE DO ARIZONA)

A grande questão, claro, é onde estão essas galáxias sem matéria escura? Como eles só se formam em ambientes que também contêm galáxias muito maiores e mais massivas, eles podem não viver por muito tempo. A maioria das interações e fusões galácticas já ocorreram há muito tempo no passado do Universo, bilhões de anos antes dos dias atuais. Assim que uma grande galáxia puxar essas galáxias livres de matéria escura de volta para elas, elas deixarão de existir.

Ao mesmo tempo, eles são incrivelmente difíceis de encontrar, pois devem ser intrinsecamente fracos e conter relativamente poucas estrelas. Você nunca encontrará uma galáxia semelhante à Via Láctea sem matéria escura; apenas as pequenas galáxias anãs admitem isso como uma possibilidade. Se a maioria dessas anãs livres de matéria escura se formou cerca de 8 a 9 bilhões de anos atrás, pode não sobrar nenhuma hoje.

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))

Mas também pode haver! No momento, nossas técnicas e tecnologias astronômicas avançaram ao ponto em que a identificação de galáxias sem matéria escura pode ser possível. Dentro uma afirmação extremamente controversa, mas fascinante , existem duas galáxias, NGC 1052-DF2 e NGC 1052-DF4, que são candidatas a serem livres de matéria escura.

No entanto, há mais observações que devem ser realizadas antes de sabermos com certeza. É extremamente difícil definir uma distância definitiva para essas galáxias ou medir a distribuição de massa dentro delas, pois são pequenas e distantes: algo entre 40 e 70 milhões de anos-luz de distância. Se as estimativas mais próximas estiverem corretas e a distribuição da matéria escura for semelhante ao núcleo (em vez de cúspide), essas podem ser apenas galáxias anãs normais, com quantidades completamente genéricas de matéria escura.

A galáxia anã NGC 5477 é uma das muitas galáxias anãs irregulares. As regiões azuis são indicativas de formação de novas estrelas, mas muitas dessas galáxias não formaram novas estrelas em muitos bilhões de anos. Se a ideia de matéria escura estiver correta, algumas das anãs, particularmente nas proximidades de galáxias pós-fusão, deveriam ser livres de matéria escura. (ESA/HUBLE E NASA)

No entanto, não são as propriedades de uma ou duas galáxias que serão o teste final da matéria escura. Se essas galáxias são galáxias anãs genéricas ou nossos primeiros exemplos de galáxias livres de matéria escura não é o ponto; a questão é que existem centenas de bilhões dessas galáxias anãs por aí que estão atualmente abaixo dos limites do que é observável, detectável ou tendo suas propriedades medidas. Quando chegarmos lá, especialmente no Universo distante e em ambientes pós-interação, podemos esperar encontrar verdadeiramente essa população de galáxias ainda não confirmada.

Se a matéria escura é real, deve ser separável da matéria normal, e isso funciona nos dois sentidos. Já encontramos galáxias ricas em matéria escura por aí, bem como plasma intergaláctico isolado. Mas galáxias livres de matéria escura? Eles podem estar ao virar da esquina, e é por isso que todos estão tão animados!

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: