Estas galáxias estranhas não têm matéria negra

Duas galáxias nebulosas estão desprovidas de matéria negra – um ingrediente cósmico essencial. Agora, os astrónomos responsáveis pelo Telescópio Espacial Hubble podem ter encontrado a resposta para este mistério.

Por Nadia Drake
Publicado 1/06/2022, 10:47
galáxia DF2

Esta imagem captada pelo Telescópio Espacial Hubble revela a galáxia invulgar DF2, que fica a cerca de 72 milhões de anos-luz da Terra. Os astrónomos têm estado intrigados com o facto de a DF2 não ter matéria negra, a cola invisível que mantém as galáxias unidas.

Fotografia por SCIENCE: NASA, ESA, STScI, Zili Shen (Yale), Pieter van Dokkum (Yale), Shany Danieli (IAS) IMAGE PROCESSING: Alyssa Pagan (STScI)

Há cerca de oito mil milhões de anos, num evento cósmico extremamente brutal, duas galáxias colidiram e libertaram violentamente o gás uma da outra.

Esta é a explicação mais recente para um mistério cósmico que já intriga os astrónomos desde 2018: duas galáxias nebulosas que parecem estar completamente desprovidas de matéria negra. As novas observações sugerem que estas galáxias podem fazer parte de uma série de objetos igualmente bizarros – os detritos da suposta colisão galáctica.

Os estudos detalhados sobre as duas galáxias, chamadas DF2 e DF4, já tinham revelado que estas são habitadas por aglomerados estranhos e luminosos de estrelas. Mas os cientistas não têm conseguido explicar a existência das galáxias, porque a matéria negra – que compõe mais de 80% da matéria do universo – é considerada um ingrediente essencial para a construção de galáxias.

Uma nova teoria, sugerida por uma equipa liderada por Pieter van Dokkum, da Universidade de Yale, alega que a colisão cósmica pode explicar estas aberrações espaciais, bem como outras características no campo de detritos. “Durante a colisão, o gás é arrancado e agitado, e transforma-se num ambiente caótico sem matéria negra para o manter unido”, diz Pieter van Dokkum. “Depois, partes dessa enorme nuvem irregular de gás podem separar-se do resto da nuvem e formar as suas próprias pequenas galáxias.”

O cenário que Pieter van Dokkum e os seus colegas teorizam vai necessitar de confirmação através de futuras observações. Contudo, se esta teoria estiver correta, é uma forma elegante de explicar como é que surgiu uma sequência tão estranha de galáxias. E, conforme foi descrito recentemente na revista Nature, esta colisão galáctica pode até ajudar os cientistas a compreender algumas das propriedades fundamentais da própria matéria negra.

“Para mim, soa-me a algo verdadeiro”, diz Pieter van Dokkum. “É uma explicação muito simples e a única até agora que explica esta vasta gama de propriedades –aglomerados globulares [de estrelas], duas galáxias idênticas que não têm matéria negra, um trilho estranho entre elas – encaixa tudo.”

A matéria invisível do universo

Normalmente, a maior parte do peso de uma galáxia vem da matéria negra. No final da década de 1960, a astrónoma Vera Rubin fez esta suposiçorlasiamr para o espaço. Sem est

a ara as ington, m reconhecer os  aladarão quando inferiu que algo maciço e invisível devia estar a impedir as estrelas na orla da Galáxia de Andrómeda de voar para o espaço. Sem esta cola gravitacional, essas estrelas estariam perdidas – assim como as estrelas nas orlas de várias outras galáxias em rotação.

Passado mais de meio século desde que Vera Rubin desenvolveu o seu trabalho, os astrónomos continuam sem ter observado diretamente matéria negra – porque esta não emite ou reflete luz. E não interage diretamente com a matéria comum, embora a sua gravidade afete o comportamento dos objetos observáveis, como estrelas e galáxias. Os cientistas também acreditam que é necessária matéria negra para que as galáxias acumulem gás suficiente para começar a gerar estrelas.

Porém, em 2018, Pieter van Dokkum observou uma galáxia chamada NGC1052-DF2, ou DF2, que parecia ser extremamente escassa em matéria negra. A cerca de 72 milhões de anos-luz de distância da Terra, perto de uma enorme galáxia elíptica, a DF2 é maioritariamente escura e difusa, salpicada por uma variedade incomum de aglomerados de estrelas extremamente brilhantes e massivos. Quando Pieter van Dokkum e os seus colegas calcularam a massa desta galáxia, perceberam que a DF2 não continha praticamente matéria negra.

“A descoberta inicial foi verdadeiramente surpreendente, até para nós – porque não tínhamos explicação para este objeto”, diz Pieter van Dokkum. “Ou seja, tínhamos um objeto que não conseguíamos explicar, mas depois passámos a usá-lo para basicamente fazer muitas alegações sobre outros tópicos relacionados, e creio que é esta combinação que tem feito com que muitas pessoas se sentem e prestem atenção, mas isto também alimenta o ceticismo das pessoas.”

Desde então, Peter van Dokkum e os seus colegas já verificaram muitas das características observadas originalmente na galáxia. “Tivemos a sorte de estar corretos – podia não ter sido assim”, diz Pieter com um sorriso. Em 2019, os astrónomos avistaram outra galáxia no mesmo grupo, chamada DF4, que é peculiarmente idêntica. Esta galáxia também é fraca e difusa, escassa em matéria negra e está pontilhada por aglomerados bizarros de estrelas.

“Temos duas galáxias que, por si só, são únicas. Não há outra galáxia no universo parecida com elas”, diz Peter van Dokkum.

Outro grupo de astrónomos avistou pelo menos uma outra galáxia que parece ser estranhamente escassa em matéria negra, embora a orientação dessa galáxia dificulte mais a sua medição do acontece com as DF2 e DF4.

Contudo, a grande questão passa por saber como é que estas estranhas galáxias se formaram.

Retroceder o relógio astronómico

Em 2019 e 2020, Pieter van Dokkum e os seus colegas apontaram o Telescópio Espacial Hubble para as galáxias DF2 e DF4. Os astrónomos perceberam que a DF2 estava muito mais distante do que a DF4 e que as ambas as galáxias estavam a afastar-se uma da outra. Isto significa que, se reproduzíssemos os movimentos destas galáxias no sentido oposto, elas iriam eventualmente convergir para o mesmo ponto no espaço: o suposto local da antiga colisão a alta velocidade.

Quando as duas galáxias originais colidiram, as suas frações de matéria negra continuaram a viajar pelo espaço como se nada tivesse acontecido. Mas todo o gás das galáxias acabou numa confusão abrasadora de alta pressão – o tipo de ambiente onde os aglomerados massivos de estrelas como os observados em DF2 e DF4 se podem formar.

Os modelos simulados deste tipo de colisões sugerem que a pilha de gás inicial se partiu em pedaços e espalhou durante milhares de milhões de anos, deixando um trilho de galáxias nebulosas no seu rescaldo. Quando Peter van Dokkum e os seus colegas observaram uma imagem do grupo NGC 1052, encontraram até 11 galáxias – incluindo a DF2 e a DF4 – seguidas.

“Tínhamos todas estas observações intrigantes e, de repente, encaixavam todas – e depois tínhamos as nossas previsões – que diziam que devíamos encontrar mais galáxias ao longo deste eixo – e depois encontrámo-las”, diz Pieter van Dokkum.

Neste trilho estão duas galáxias que Pieter van Dokkum diz poderem ser os remanescentes ricos em matéria negra das galáxias que colidiram originalmente, mas a confirmação desta afirmação vai ser complicada porque as galáxias são muito ténues e difíceis de observar detalhadamente.

Decifrar pistas no céu

Apesar de esta teoria ainda precisar de mais estudos, alguns cientistas acreditam que oferece uma explicação sobre a forma como estas galáxias escassas em matéria negra se podem ter formado e desenvolvido.

“É uma observação apelativa por várias razões”, diz Mike Boylan-Kolchin, da Universidade do Texas em Austin, que estuda matéria negra e formação de galáxias. “A mais importante é explicar vários aspetos do sistema simultaneamente.”

Se este cenário estiver correto, acrescenta Mike Boylan-Kolchin, ajuda os astrónomos a compreender melhor o quão “pegajosa” é a matéria negra – a perceber se ignora a matéria comum como se ignora a si própria, ou se há um grau de auto-interação. “Uma das consequências particularmente evidentes da colisão galáctica é a de explicar os estranhos aglomerados de estrelas em DF2 e DF4.”

“Uma das grandes incógnitas nestes sistemas reside no facto de aparentemente terem aglomerados de estrelas muito massivos, e não sabemos porquê”, acrescenta Mike Boylan-Kolchin. “Esta colisão entre galáxias oferece realmente o mecanismo necessário para produzir o conjunto adicional de aglomerados mais massivos.”

Outros astrónomos, porém, ainda não estão convencidos.

“De certa forma, estamos apenas a começar a desvendar um grande mistério”, diz Michelle Collins, da Universidade de Surrey, que estuda a formação de galáxias. Neste momento, segundo Michelle Collins, o cenário proposto é extremamente especulativo, e não sabemos se as supostas galáxias progenitoras continham massa suficiente para produzir o que Pieter van Dokkum e os seus colegas estão a observar.

Determinar as distâncias entre as 11 galáxias que compõem o suposto trilho de detritos também é vital para testar se estas fazem parte do mesmo sistema ou se estão involuntariamente alinhadas de uma forma que simplesmente faz parecer com que estejam relacionadas – da mesma forma que as estrelas desproporcionalmente distantes da Terra parecem próximas nas constelações.

“Não temos dados suficientes para descartar a hipótese de estas galáxias não serem uma constelação”, diz Michelle Collins. “É tentador atribuir significado aos padrões.”

A confirmação da teoria da colisão vai ser morosa, mas Pieter van Dokkum diz que tem previsões passíveis de testagem. Por exemplo, Pieter quer estudar os aglomerados estelares na galáxia DF4 e comparar as suas idades com as dos aglomerados na galáxia DF2. Se as idades coincidirem, serão evidências fortes de que ambas as galáxias partilham uma história de origem.

A equipa de Pieter van Dokkum também vai apontar o telescópio Hubble para outros locais suspeitos neste trilho de detritos para perceber se têm os mesmos aglomerados bizarros de estrelas, para além de medir o seu movimento e distâncias, para determinar se fazem realmente parte da mesma estrutura.

Se os astrónomos tiverem sorte, até podem obter um vislumbre das duas galáxias em cada extremidade do trilho e tentar descobrir se são os remanescentes outrora dominados por matéria negra das galáxias originais. Contudo, este projeto pode ter de esperar pela próxima geração de telescópios terrestres – ou pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA.

“Isso seria espetacular”, diz Pieter van Dokkum. “Medir as galáxias seria o santo graal para decifrar este sistema.”


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

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