Matéria Negra Distorce Aglomerados de Galáxias Para Além do Esperado, Desafiando Teoria Cósmica

O modelo mais usado para explicar a estrutura do universo diz que os maiores aglomerados não deviam estar tão distorcidos como aparecem nos telescópios.

Publicado 18/09/2020, 15:00
Esta imagem captada pelo telescópio espacial Hubble da NASA/ESA mostra o aglomerado de galáxias MACS J1206. ...

Esta imagem captada pelo telescópio espacial Hubble da NASA/ESA mostra o aglomerado de galáxias MACS J1206. Estes aglomerados de galáxias têm uma massa enorme e a sua gravidade é poderosa o suficiente para dobrar visivelmente o trajeto da luz, como se fosse vista através de uma lupa.

Fotografia de NASA, ESA, M. Postman (STScI) e da equipa CLASH

Tal como acontece com os humanos, as galáxias também não gostam de estar sozinhas. Impulsionadas pela gravidade, as galáxias tendem a agrupar-se, e algumas até acabam por formar o equivalente do universo a megacidades: aglomerados de até mil galáxias, coletivamente superando o nosso sol em mais de um bilião de vezes.

Apesar das inúmeras estrelas que brilham nestes aglomerados, apenas uma fração de toda a sua massa é visível. De acordo com o que os cientistas sabem, o verdadeiro peso de um aglomerado reside num material que não pode ser visto: uma substância invisível e misteriosa chamada matéria negra. Como acontece com o betão e o asfalto que sustentam uma cidade, um vasto halo esférico de matéria negra sustenta todo um aglomerado de galáxias. E tal como os edifícios surgem nas ruas de uma cidade, cada galáxia individual também está embutida no seu próprio “subhalo” de matéria negra.

Durante décadas, os astrónomos tentaram compreender o papel da matéria negra no planeamento urbano do cosmos, a forma como molda a estrutura do nosso universo. Mas os últimos resultados sugerem que a matéria negra, independentemente do que seja, não se está a comportar como os investigadores esperavam.

Num estudo publicado no dia 11 de setembro na revista Science, os investigadores examinam como 11 aglomerados gigantescos de galáxias dobram a luz que passa por si, vista a partir da Terra. O estudo descobriu que estes aglomerados abrigam cerca de 10 vezes mais bolsas densas de matéria negra do que o previsto pelos modelos de supercomputação.

“Quando encontramos uma lacuna tão grande, na maioria das vezes isto revela que há um elemento no modelo que precisa de ser refinado”, diz Priyamvada Natarajan, coautora do estudo e astrofísica teórica da Universidade de Yale. “Mas ocasionalmente – muito raramente na história da ciência – estas lacunas acabam por revelar o caminho para uma nova teoria.”

Lente fotográfica cósmica
Este estudo é o mais recente a colocar em questão o modelo conhecido por Lambda-CDM, que é usado para modelar os ingredientes-chave do universo e a forma como interagem ao longo do tempo.

De acordo com este modelo, só cerca de 5% da matéria e energia combinadas do universo é matéria bariónica: a mistura familiar de partículas que compõe planetas, estrelas, galáxias, organismos e tudo o resto que conseguimos ver. A maior parte do universo, 68% ou mais, é feita de energia negra – representada pela letra grega lambda (Λ) – uma enigmática força repelente que impulsiona a expansão acelerada do universo.

Os restantes 27% do universo são feitos de uma substância invisível chamada matéria negra. De acordo com o modelo, a matéria negra tem massa e pode criar campos gravitacionais, mas não reage consigo própria, não emite luz ou interage de imediato com a matéria normal, a não ser através da gravidade.

Para testar o modelo Lambda-CDM, investigadores liderados por Massimo Meneghetti, astrónomo do Observatório Astronómico de Bolonha, em Itália, decidiram examinar alguns dos maiores aglomerados de galáxias conhecidos. A equipa queria analisar como é que a massa é distribuída dentro de um aglomerado medindo um fenómeno que aparece nos telescópios como um efeito de câmara psicadélico.

Tal como uma bola de bowling, se for colocada num trampolim, deforma e estica o tecido, a matéria distorce a geometria do espaço-tempo ao seu redor. Os objetos enormes, como galáxias ou aglomerados de galáxias, deformam de tal forma o espaço-tempo que as distorções dobram qualquer luz que atravesse por si. Os astrónomos conseguem ver este efeito, chamado lente gravitacional.

Quando um objeto é particularmente massivo e denso, a lente gravitacional que cria pode até dividir a luz. Do nosso ponto de vista, esta anomalia parece que o objeto está rodeado por várias imagens da mesma fonte de luz de fundo.

A gravidade da matéria negra contribui para este efeito, e os aglomerados de galáxias parecem estar repletos de matéria. De acordo com os melhores modelos disponíveis, não só os aglomerados de galáxias estão embutidos em vastos halos esféricos de matéria negra, como as galáxias individuais dentro de um aglomerado também estão dentro dos seus próprios “subhalos” de matéria negra.

Quando a equipa de Massimo Meneghetti mapeou 11 aglomerados de galáxias e contou os efeitos mais pequenos de lente gravitacional, encontraram uma quantidade 10 vezes superior à que esperavam. Esta observação sugere que os “subhalos” de matéria negra são muito mais densos do que as simulações de computador previam – uma descoberta que parece contradizer o modelo Lambda-CDM.

Ajustar a teoria do universo
Esta discrepância não é a primeira a surgir entre as observações do universo e o modelo Lambda-CDM. No entanto, a nova descoberta é particularmente surpreendente porque a incompatibilidade é diferente de qualquer uma das outras encontradas até agora nos testes deste modelo, diz Mike Boylan-Kolchin, astrofísico da Universidade do Texas, em Austin, que não participou no estudo.

A estrutura das galáxias mais próximas implica que a matéria negra é menos densa nesses locais do que a prevista pela teoria. Esta nova anomalia, porém, revela outro trajeto, exigindo que a matéria negra dos aglomerados de galáxias seja ainda mais densa do que a sugerida pelo Lambda-CDM.

“Estamos a encontrar um problema que vai exatamente na direção oposta”, diz Massimo Meneghetti.

O que pode estar a provocar este novo conflito entre teoria e observação? É possível que os modelos de computador não capturem exatamente como é que as galáxias se formam, ou podem simplesmente não ter resolução para modelar estas estruturas imensas – mas os autores do estudo dizem que levaram estas fontes potenciais de erro em consideração e, até agora, parece que a discrepância é simplesmente demasiado grande para poder ser explicada.

Para explicar as outras propriedades do universo, quaisquer ajustes teóricos precisam de ser tão bons quanto o Lambda-CDM, e isto é parte do desafio. A teoria sustenta que a matéria negra é “fria” ou que as partículas se moviam devagar o suficiente nos primeiros dias do universo. Esta lentidão foi essencial para preservar regiões onde a matéria negra era ligeiramente mais densa do que o normal. As regiões extremamente densas colapsaram mais tarde sob a sua própria gravidade, agindo como uma espécie de andaime para a matéria normal se aglomerar e formar estrelas, planetas e galáxias.

Embora o modelo seja muito bom para explicar sistemas cósmicos de grande escala, as suas previsões não encaixam nas estruturas que tenham menos de 3.3 milhões de anos-luz de diâmetro, a escala de grandes galáxias ou grupos de galáxias. Os astrónomos costumam observar menos objetos pequenos, ou regiões menos densas dentro das galáxias, do que as previstas pelo Lambda-CDM – embora as novas observações tenham encontrado regiões mais densas do que a teoria antecipa.

Os futuros modelos devem conseguir explicar este comportamento de duas faces da matéria negra em pequena escala. “É o mesmo que tentar atravessar várias agulhas diferentes ao mesmo tempo”, diz James Bullock, astrofísico da Universidade da Califórnia-Irvine que não participou no estudo.

Mathilde Jauzac, física da Universidade de Durham e especialista em lentes gravitacionais (que também não participou no estudo), acrescenta que testar o problema vai ser ainda mais complicado. Por um lado, os aglomerados gigantes de galáxias não são muito comuns. O novo estudo incluiu tantos aglomerados quanto podia: 11.

Como os aglomerados gigantes de galáxias são raros, não aparecem com frequência nas simulações, acrescenta Mathilde. Portanto, para encontrarmos mais, os modeladores precisam de simular volumes de espaço muito maiores, algo que exige uma análise exaustiva de dados.

Quando os astrofísicos conseguirem identificar contradições suficientes no Lambda-CDM, poderão encontrar um caminho para uma nova teoria que explique toda a história do universo com mais precisão: como é que o big-bang desencadeou uma série de interações cósmicas que deram origem, passo a passo, estrela a estrela, ao nosso planeta Terra – e, em última análise, a nós.
 

Este artigo foi publicado originalmente em inglês no site nationalgeographic.com.

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