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Qual é o destino final da galáxia mais solitária do universo?

Embora esteja relativamente próxima a apenas 293 milhões de anos-luz de distância, a galáxia MCG+01–02–015 não tem outras galáxias ao seu redor por aproximadamente 100 milhões de anos-luz em todas as direções. Até onde sabemos, é a galáxia mais solitária do Universo. (ESA/HUBBLE & NASA E N. GORIN (STSCI); AGRADECIMENTOS: JUDY SCHMIDT)

No meio de um grande vazio cósmico, uma única galáxia isolada persiste em meio à escuridão. Está prestes a ficar muito mais solitário.

Aqui em nosso próprio quintal cósmico, a Via Láctea é apenas uma galáxia entre muitas. Uma enorme quantidade de galáxias satélites nos acompanha em nossa jornada pelo Universo, e nossa vizinha Andrômeda nos supera em termos de massa, estrelas e até mesmo extensão física. Ao todo, somos apenas uma das cerca de 60 galáxias ligadas ao nosso grupo local, que em si é um grupo de galáxias modestamente pequeno nos arredores do enorme Aglomerado de Virgem.

Nem toda galáxia é tão afortunada , no entanto. Embora as galáxias sejam mais comumente encontradas unidas em grande número, existem enormes vazios cósmicos separando as ricas estruturas encontradas em todo o Universo, com apenas pequenas quantidades de matéria dentro. Um exemplo notável é o galáxia MCG+01–02–015 , que é o único ao redor por cerca de 100 milhões de anos-luz em todas as direções. Seu a galáxia mais solitária do universo conhecido , e podemos prever cientificamente seu destino final.

Nosso superaglomerado local, Laniakea, contém a Via Láctea, nosso grupo local, o aglomerado de Virgem e muitos grupos e aglomerados menores nos arredores. No entanto, cada grupo e aglomerado está ligado apenas a si mesmo e será afastado dos outros devido à energia escura e ao nosso Universo em expansão. Após 100 bilhões de anos, mesmo a galáxia mais próxima além do nosso próprio grupo local estará a aproximadamente um bilhão de anos-luz de distância, tornando-a muitos milhares e potencialmente milhões (quando você pega as diferentes populações estelares que estarão dentro) de vezes mais fraca que a mais próxima. galáxias aparecem hoje. (ANDREW Z. COLVIN / WIKIMEDIA COMMONS)

Para entender o que essa galáxia vai fazer, primeiro temos que entender como ela é de dentro para fora. Quando o Universo era muito mais jovem do que é hoje, era quase perfeitamente uniforme, com regiões que são apenas ligeiramente superdensas ou subdensas em comparação com a média de grande escala. As regiões com mais matéria do que a média se autogravitarão, atraindo matéria dos volumes circundantes do espaço e, eventualmente, levando à formação de estrelas, galáxias e grupos e aglomerados de galáxias em escalas ainda maiores.

Regiões que são subdensas, no entanto, tendem a ceder sua matéria para as regiões superdensas circundantes, levando a vastos vazios cósmicos entre os fios da teia cósmica. Ao contrário da crença popular, no entanto, mesmo as regiões de densidade abaixo da média ainda tendem a manter uma certa quantidade de matéria – normal e escura – e com tempo suficiente, essa matéria também entrará em colapso para formar estruturas.

Fluxos de matéria escura impulsionam o agrupamento de galáxias e a formação de estruturas em grande escala, como mostrado nesta simulação KIPAC/Stanford. Embora os locais onde as estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias emergem sejam mais notáveis, os enormes vazios cósmicos que separam as estruturas ricas em matéria são igualmente importantes para a compreensão do nosso Universo. (O. HAHN E T. ABEL (SIMULAÇÃO); RALF KAEHLER (VISUALIZAÇÃO))

A esmagadora maioria das galáxias, hoje, pode ser encontrada ao longo dos filamentos de nossa estrutura cósmica de grande escala, com enormes concentrações de galáxias existentes nos pontos de nexo de múltiplos filamentos. É a matéria escura que impulsiona a formação dessa teia cósmica – superando a matéria normal em uma proporção relativamente consistente de 5 para 1 – enquanto é a matéria normal que colide, aquece, libera impulso e forma estrelas.

A matéria que permanece em um vazio cósmico, em vez de passar por uma complicada história de crescimento gravitacional de uma série de fusões, tenderá a formar uma grande e isolada galáxia por meio de colapso monolítico. De longe, uma galáxia que se forma assim pode parecer muito semelhante a qualquer outra galáxia espiral, como Andrômeda, mas existem propriedades adicionais importantes que apenas uma investigação mais detalhada revelará.

Entre os grandes aglomerados e filamentos do Universo existem grandes vazios cósmicos, alguns dos quais podem abranger centenas de milhões de anos-luz de diâmetro. Enquanto alguns vazios são maiores em extensão do que outros, o vazio que abriga MCG+01–02–015 é especial porque tem densidade tão baixa que, em vez de ter apenas algumas galáxias, contém apenas essa galáxia conhecida. É possível, no entanto, que galáxias pequenas e de baixo brilho superficial possam existir nesta região, embora abaixo do nosso limite de detecção atual. (ANDREW Z. COLVIN (COLHEADO POR ZERYPHEX) / WIKIMEDIA COMMONS)

Uma galáxia extremamente isolada, ao contrário de suas contrapartes mais comuns e mais agrupadas, forma-se da seguinte forma.

1. As regiões que não cederem toda a sua matéria à rede filamentar que compõe nossa estrutura em grande escala gravitarão em direção ao seu centro de massa mútuo, determinado pela presença de matéria escura e matéria normal.
2. A matéria escura forma um grande halo difuso de massa, enquanto a matéria normal afunda para o centro, colidindo com outras partículas de matéria normal e colapsando primeiro na dimensão mais curta.
3. As panquecas de matéria normal, que é o termo científico para splat, formam um disco que começa a girar.
4. Dentro do disco, as estrelas se formam, levando à estrutura espiral familiar que reconhecemos.
5. A matéria escura é aquecida dinamicamente, alterando um pouco seu perfil de densidade, enquanto os neutrinos de baixa massa eventualmente caem no halo, aumentando a massa.

Posteriormente, a matéria normal passa pelo ciclo de vida estelar normal, levando às galáxias isoladas que vemos hoje.

A galáxia mostrada no centro da imagem aqui, MCG+01–02–015, é uma galáxia espiral barrada localizada dentro de um grande vazio cósmico. É tão isolado que, se a humanidade estivesse localizada nesta galáxia em vez da nossa e desenvolvesse a astronomia na mesma proporção, não teríamos detectado a primeira galáxia além da nossa até atingirmos níveis tecnológicos alcançados apenas na década de 1960. Esta galáxia deve ser cercada por um halo enorme e difuso de matéria escura e neutrinos, além do gás, plasma, poeira e estrelas encontrados no plano do disco. (ESA/HUBBLE & NASA E N. GORIN (STSCI); AGRADECIMENTOS: JUDY SCHMIDT)

Mas o Universo está apenas começando. Dominadas pela energia escura, as galáxias distantes não apenas se afastarão umas das outras, mas suas aparentes velocidades de recessão aumentarão cada vez mais rápido com o passar do tempo. Para galáxias como a nossa, permaneceremos ligados ao nosso grupo local, incluindo Andrômeda, Triângulo e cerca de 60 galáxias adicionais, até que todas se fundam muitos bilhões de anos no futuro. Galáxias além de nosso grupo gravitacionalmente ligado, como as do aglomerado de Virgem, permanecerão ligadas a seus próprios grupos de origem, mas acelerarão em sua recessão do nosso.

Para uma galáxia isolada e solitária, no entanto, todas as galáxias e grupos galácticos irão acelerar. Uma galáxia como MCG+01–02–015 permanecerá isolada, formando estrelas em rajadas que revestem seus braços espirais enquanto houver material novo para formar novas gerações de estrelas.

A galáxia espiral NGC 6744, parte da pesquisa LEGUS, mostra a formação de novas estrelas ao longo dos braços espirais, onde o gás e a poeira são abundantes, mas nenhum no centro galáctico, que está sobrecarregado de estrelas e contém pouco gás. Em escalas de tempo relativamente curtas, à medida que olhamos para o futuro distante, praticamente todas as galáxias verão suas taxas de formação estelar efetivamente assíntotas a zero. (NASA, ESA E EQUIPE LEGUS)

Nas próximas dezenas de bilhões de anos, todas as galáxias que podem ser vistas irão acelerar, deixando apenas alguns fótons altamente desviados para o vermelho para trás. Além dessas, daqui a 100 bilhões de anos, não haverá indicação de que outras galáxias já existiram em nosso Universo visível.

As taxas de formação de estrelas continuarão caindo dentro de cada galáxia, com estrelas semelhantes ao Sol queimando e apenas as estrelas menos massivas – as anãs vermelhas e suas contrapartes de estrelas falhadas (anãs marrons) – continuando a brilhar. À medida que bilhões de anos se transformam em trilhões ou mesmo centenas de trilhões de anos, até essas estrelas queimarão todo o seu combustível. As anãs brancas, os restos mortos da maioria das estrelas, acabarão desaparecendo para se tornarem anãs negras, à medida que esfriam para se tornarem completamente invisíveis.

Uma comparação precisa de tamanho/cor de uma anã branca (L), a Terra refletindo a luz do nosso Sol (no meio) e uma anã negra (R). Quando as anãs brancas finalmente irradiarem o último de sua energia, todas elas acabarão se tornando anãs negras. A pressão de degeneração entre os elétrons dentro da anã branca/preta, no entanto, sempre será grande o suficiente, desde que não acumule muita massa, para evitar que entre em colapso ainda mais. Este é o destino do nosso Sol após cerca de 1⁰¹⁵ anos. (BBC / GCSE (L) / SUNFLOWERCOSMOS (R))

Após cerca de um quatrilhão (10¹⁵) de anos, os últimos remanescentes estelares terão queimado, escurecendo o Universo. Apenas a fusão ocasional de vários objetos, como anãs marrons, causará uma reativação temporária da fusão nuclear, criando luz estelar por dezenas de trilhões de anos de cada vez. Esses eventos não serão apenas raros, mas terão que lutar contra um processo concorrente.

Todos os objetos colapsados, que é onde a matéria normal acabará esmagadoramente, interagirão gravitacionalmente. Os encontros aleatórios entre massas irão, ao longo do tempo:

• levar a interações gravitacionais e troca de momento,
• ejetando os mais leves, lançando-os no esquecimento intergaláctico,
• e fazendo com que os objetos de massa mais pesada afundem em direção ao centro, perdendo impulso em um processo conhecido como relaxamento violento.

Uma vez que a formação de estrelas tenha sido concluída em uma galáxia, todo o gás e poeira desaparecerão e ficarão presos em objetos individuais vinculados, como estrelas e remanescentes estelares. Em escalas de tempo suficientemente longas, não apenas cada estrela morrerá, tornando-se um buraco negro, estrela de nêutrons ou anã branca (e depois preta), mas interações gravitacionais mútuas expulsarão as estrelas / remanescentes estelares da galáxia ou do funil para o centro, onde se fundirão em um único objeto. (NASA, ESA E WOLFGANG BRANDNER (MPIA), BOYKE ROCHAU (MPIA) E ANDREA STOLTE (UNIVERSIDADE DE COLOGNE))

Depois de um tempo suficiente, algo em torno de 10¹⁹ ou 10²⁰ anos, apenas uma pequena porcentagem dessas massas compostas de matéria normal permanecerá, em grande parte na forma de buracos negros ou remanescentes estelares. No entanto, o grande e difuso halo de matéria não normal – matéria escura e neutrinos maciços – permanecerá praticamente inalterado; a evolução da matéria normal deve ter apenas efeitos insignificantes aqui.

À medida que adicionamos mais zeros à idade do Universo, o buraco negro central crescerá devorando matéria, queimando quando isso acontecer. Os planetas que permanecem em órbita em torno de remanescentes estelares mortos verão suas órbitas decair por meio de radiação gravitacional, espiralando em seus remanescentes. Eventualmente, toda a matéria normal será ejetada ou concentrada em buracos negros maciços e supermassivos. Ainda assim, esse halo de matéria escura e neutrinos permanecerá.

O decaimento simulado de um buraco negro não apenas resulta na emissão de radiação, mas no decaimento da massa orbital central que mantém a maioria dos objetos estáveis. Os buracos negros não são objetos estáticos, mas mudam com o tempo. Para os buracos negros de menor massa, a evaporação acontece mais rápido, mas mesmo o buraco negro de maior massa no Universo não viverá além do primeiro googol (1⁰¹⁰⁰) anos. (CIÊNCIA DA COMUNICAÇÃO DA UE)

À medida que as eras passam e o Universo envelhece ainda mais severamente, os próprios buracos negros decairão através do processo quântico da radiação Hawking. Buracos negros de massa estelar irão evaporar em escalas de tempo de cerca de 10⁶⁷ anos, enquanto os buracos negros mais massivos do Universo de hoje podem persistir por cerca de 10¹⁰⁰ anos. Se examinarmos a galáxia mais isolada de todas, seu buraco negro provavelmente durará de 10⁸⁰ a 10⁹⁰ anos, mas não mais.

No entanto, mesmo quando tanto tempo tiver passado, e o último buraco negro na galáxia mais isolada que conhecemos decair, a matéria escura e os neutrinos ainda existirão na mesma enorme configuração semelhante a um halo que sempre existiram. Mesmo sem matéria normal para absorver ou emitir radiação, a estrutura esquelética da galáxia – a matéria escura e os neutrinos que não interagem com fótons – ainda persistirá.

Acredita-se que nossa galáxia esteja inserida em um enorme halo difuso de matéria escura, indicando que deve haver matéria escura em torno de tudo, desde nosso sistema solar até galáxias anãs próximas. Para uma galáxia isolada (ou nosso próprio grupo local em um futuro distante), os restos de matéria normal serão ejetados, se fundirão e decairão, mas o halo de matéria escura e neutrinos persistirá por muito mais tempo. Esses halos serão as últimas estruturas remanescentes no Universo. (ROBERT CALDWELL & MARC KAMIONKOWSKI NATURE 458, 587–589 (2009))

Depois de uma quantidade extraordinária de tempo, googols de anos ou até mais, a galáxia mais solitária do Universo parecerá completamente vazia. Nenhuma estrela, restos estelares, cadáveres planetários ou mesmo buracos negros devem permanecer. E, no entanto, ainda existirá. Alguém que pudesse medir a curvatura do espaço-tempo do Universo ou de alguma forma detectar matéria escura ou neutrinos de energia ultrabaixa encontraria um halo de massa enorme e difuso que persistirá por muito mais tempo do que qualquer estrutura vinculada feita de matéria normal.

Eventualmente, dependendo das massas reais (e ainda desconhecidas) de partículas individuais de matéria escura e neutrinos, esse halo escuro remanescente decairá, ejetando-se partícula por partícula até que nenhuma permaneça. Até que as massas e propriedades dessas partículas sejam conhecidas, no entanto, não podemos calcular essa escala de tempo; só podemos saber que persistirá por mais tempo do que qualquer assunto normal. O destino final das últimas galáxias no Universo será um halo de matéria escura/neutrino esquelético, superando de longe qualquer outra coisa que já observamos.

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 .

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