Começa Com Um Estrondo

Dois tipos de lentes gravitacionais revelam matéria escura

Aglomerados e aglomerados de galáxias exibem efeitos gravitacionais na luz e na matéria por trás deles devido aos efeitos de lentes gravitacionais fracas. Além disso, arcos, várias imagens da mesma galáxia e galáxias altamente ampliadas mostram fortes lentes gravitacionais. Ambos os efeitos nos permitem reconstruir suas distribuições de massa, ambos requerem matéria escura para explicar. (ESA, NASA, K. SHARON (UNIVERSIDADE DE TEL AVIV) E E. OFEK (CALTECH))

O Universo é escuro, mas a luz distorcida revela sua presença.

Quando olhamos para os objetos no Universo, a massa simplesmente não bate.

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)

Toda a matéria normal do Universo – átomos, plasma, estrelas, buracos negros, etc. – não pode explicar o que vemos.

De acordo com modelos e simulações, todas as galáxias deveriam estar embutidas em halos de matéria escura, cujas densidades atingem os centros galácticos. Em escalas de tempo suficientemente longas, de talvez um bilhão de anos, uma única partícula de matéria escura dos arredores do halo completará uma órbita. Os efeitos do gás, feedback, formação de estrelas, supernovas e radiação complicam esse ambiente, tornando extremamente difícil extrair previsões universais de matéria escura, mas o maior problema pode ser que os centros cúspides previstos pelas simulações não são nada mais do que artefatos numéricos. (NASA, ESA E T. BROWN E J. TUMLINSON (STSCI))

É preciso haver mais massa do que a matéria normal sozinha para explicar o que vemos.

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 em seu suporte à matéria escura. (COLABORAÇÃO ILLUSTRIS / SIMULAÇÃO ILLUSTRIS)

Alguma matéria escura nova, exótica e invisível é a principal ideia teórica.

Na cosmologia moderna, uma teia em grande escala de matéria escura e matéria normal permeia o Universo. Nas escalas de galáxias individuais e menores, as estruturas formadas por matéria são altamente não lineares, com densidades que se afastam da densidade média em enormes quantidades. Em escalas muito grandes, no entanto, a densidade de qualquer região do espaço é muito próxima da densidade média: com cerca de 99,99% de precisão. (WESTERN WASHINGTON UNIVERSITY)

É uma proposta radical presumir a existência da matéria escura, mas as lentes gravitacionais podem revelá-la.

Esta ilustração mostra como a presença de uma massa em primeiro plano, como um aglomerado de galáxias massivo, pode ampliar e distorcer a luz proveniente de uma galáxia ou quasar de fundo. Este fenômeno tem muitas manifestações diferentes, mas é sempre conhecido como alguma forma de lente gravitacional. (NASA/ESA)

Na Relatividade Geral de Einstein, a presença de massa curva o tecido do espaço-tempo.

No centro desta imagem, tirada com o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA, está o aglomerado de galáxias SDSS J1038+4849 e parece estar a sorrir. Você pode ver seus dois olhos laranja e nariz de botão branco. No caso deste rosto feliz, os dois olhos são galáxias muito brilhantes e as linhas de sorriso enganosas são na verdade arcos causados por um efeito conhecido como lente gravitacional forte. (AGRADECIMENTOS DA NASA E DA ESA: JUDY SCHMIDT)

Uma grande coleção de massa de primeiro plano distorce a luz de fundo através do processo de lente gravitacional.

Quando a luz aumenta e cria várias imagens de objetos distantes, isso é uma lente gravitacional forte.

Nesta imagem, seis exemplos da rica diversidade de 67 fortes lentes gravitacionais encontradas na pesquisa COSMOS. As lentes foram descobertas em um grande conjunto de observações recentemente concluído como parte de um projeto para pesquisar um único campo de céu de 1,6 graus quadrados (nove vezes a área da Lua cheia) com vários observatórios espaciais e terrestres. . As lentes gravitacionais ocorrem quando a luz que viaja em nossa direção de uma galáxia distante é ampliada e distorcida ao encontrar um objeto massivo entre a galáxia e nós. Essas lentes gravitacionais geralmente permitem que os astrônomos observem muito mais no início do Universo do que normalmente seriam capazes. O projeto COSMOS, liderado por Nick Scoville no Instituto de Tecnologia da Califórnia, usou observações de vários observatórios, incluindo o Telescópio Espacial Hubble, o Telescópio Espacial Spitzer, a espaçonave XMM-Newton, o Observatório de Raios-X Chandra, o Very Large Telescope (VLT) ), e o Telescópio Subaru. No total foram encontradas 67 lentes gravitacionais. (NASA, ESA, C. FAURE (ZENTRUM FÜR ASTRONOMIE, UNIVERSITY OF HEIDELBERG) E J.P. KNEIB (LABORATOIRE D'ASTROPHYSIQUE DE MARSEILLE))

Essas lentes fortes indicam seis vezes a massa total da matéria normal sozinha.

Ao alavancar um total de oito sistemas de lentes quádruplas (seis são mostrados aqui), os astrofísicos foram capazes de usar lentes gravitacionais para colocar restrições na subestrutura da matéria escura no Universo e, portanto, na massa/temperatura das partículas de matéria escura como resultado. (NASA, ESA, A. NIERENBERG (JPL), E T. TREU E D. GILMAN (UCLA))

Eles também revelam subestruturas de matéria escura: pequenos sub-halos embutidos em estruturas maiores.

Qualquer configuração de pontos de luz de fundo - estrelas, galáxias ou aglomerados - 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. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS TALLJIMBO)

Além disso, lentes gravitacionais fracas também revelam matéria escura.

A sobreposição no canto inferior esquerdo representa a distorção das imagens de fundo devido à lente gravitacional esperada dos halos de matéria escura das galáxias em primeiro plano, indicadas por elipses vermelhas. Os bastões de polarização azuis indicam a distorção. Esses efeitos são consistentes com as observações. (MIKE HUDSON/WATERLOO; HUBBLE & NASA)

Essas configurações menos ideais ainda distorcem as formas e orientações das galáxias de fundo.

Aglomerados e aglomerados de galáxias exibem efeitos gravitacionais na luz e na matéria por trás deles devido aos efeitos de lentes gravitacionais fracas. Isso nos permite reconstruir suas distribuições de massa, que devem se alinhar com a matéria observada. (ESA, NASA, K. SHARON (UNIVERSIDADE DE TEL AVIV) E E. OFEK (CALTECH))

Ao observar essa luz, reconstruímos as massas de primeiro plano dessas lentes fracas.

Um aglomerado de galáxias pode ter sua massa reconstruída a partir dos dados de lentes gravitacionais disponíveis. A maior parte da massa é encontrada não dentro das galáxias individuais, mostradas como picos aqui, mas no meio intergaláctico dentro do aglomerado, onde a matéria escura parece residir. As observações de atraso de tempo da supernova Refsdal, por exemplo, não podem ser explicadas sem a presença de matéria escura. (A. E. EVRARD. NATURE 394, 122–123 (09 DE JULHO DE 1998))

Em ambos os casos, a matéria escura é absolutamente necessária.

O aglomerado de galáxias MACS 0416 do Hubble Frontier Fields, com a massa mostrada em ciano e a ampliação da lente mostrada em magenta. Essa área de cor magenta é onde a ampliação da lente será maximizada. Mapear a massa do aglomerado nos permite identificar quais locais devem ser sondados para as maiores ampliações e candidatos ultradistantes de todos. (STSCI/NASA/CATS TEAM/R. LIVERMORE (UT AUSTIN))

A mesma proporção – 5 vezes a abundância de matéria normal – explica tudo o que observamos.

Esta imagem mostra o maciço e distante aglomerado de galáxias Abell S1063. Como parte do programa Hubble Frontier Fields, este é um dos seis aglomerados de galáxias a serem fotografados por um longo tempo em muitos comprimentos de onda em alta resolução. A luz difusa, branco-azulada mostrada aqui é a luz estelar intracluster real, capturada pela primeira vez. Ele traça a localização e a densidade da matéria escura com mais precisão do que qualquer outra observação visual até o momento. (NASA, ESA E M. MONTES (UNIVERSIDADE DE NOVA GALES DO SUL))

Principalmente Mute Monday conta uma história astronômica em imagens, recursos visuais e não mais de 200 palavras. Fale menos; sorria mais.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .