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De acordo com a colaboração Fermi LAT, o excessivo brilho de raios gama da galáxia provavelmente vem de pulsares, os restos de antigas estrelas colapsadas.
NASA/CXC/University of Massachusetts/D. Wang et al.; Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory
Um misterioso brilho de raios gama no centro da Via Láctea é provavelmente causado por pulsares, os objetos incrivelmente densos que giram rapidamente a partir de núcleos de antigas estrelas colapsadas que tinham até 30 vezes a massa do sol.
Essa é a conclusão de uma nova análise de uma equipe internacional de astrofísicos com colaboração do Fermi LAT. Os resultados lançam dúvidas sobre as interpretações anteriores do sinal como potenciais sinais de matéria escura, uma forma de matéria que responde por 85 por cento de toda a matéria no universo, mas que escapou da detecção até o momento.
“Nosso estudo mostra que nós não precisamos de matéria escura para entender as emissões de raios gama de nossa galáxia”, diz Mattia Di Mauro, do Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas e Cosmologia, um instituto em conjunto com a Universidade de Stanford e do Departamento de Energia do SLAC National Accelerator Laboratory nos EUA. “Em vez disso, nós identificamos uma população de pulsares na região em torno do centro da galáxia, que lança uma nova luz sobre a história da formação da Via Láctea.”
Di Mauro observou o brilho com o Telescópio de Grande Área no Telescópio Espacial Fermi de Raios-Gama da NASA, que orbita a Terra desde 2008. O LAT, um “olho” sensível à raios gama, a forma mais energética de luz, foi concebido e montado no SLAC, que também abriga o seu centro de operações.
As conclusões da colaboração foram submetidos no The Astrophysical Journal para publicação e estão disponíveis como um pré-impressão.
Um brilho misterioso
A matéria escura é um dos maiores mistérios da física moderna. Os pesquisadores sabem que a matéria escura existe porque desvia a luz de galáxias distantes e afeta a maneira como as galáxias giram. Mas eles não sabem de que substância ela é feita. A maioria dos cientistas acreditam que ela é composta de partículas ainda-a-serem-descobertas que quase nunca interagem com a matéria normal que não seja através da gravidade, o que torna muito difícil detectá-las.
Uma maneira na qual os instrumentos científicos podem capturar um vislumbre de partículas de matéria escura é quando as partículas decaem, colidem e destroem umas as outras. “Teorias amplamente estudadas prevêem que esses processos produziriam raios gama”, disse Seth Digel, chefe do grupo do Fermi KIPAC. “Nós procuramos esta radiação com a LAT em regiões do universo que são ricas em matéria escura, tais como o centro de nossa galáxia.”
Estudos anteriores demonstram efetivamente que há mais raios gama vindos do centro galáctico do que o esperado, alimentando alguns artigos científicos e reportagens que sugerem que o sinal pode sugerir partículas de matéria escura há muito tempo procuradas. No entanto, os raios gama são produzidos por uma série de outros processos cósmicos, que devem ser excluídos antes de qualquer conclusão na qual a matéria escura pode ser desenhada. Isto é particularmente difícil porque o centro da galáxia é extremamente complexo, e astrofísicos não sabem todos os detalhes do que está acontecendo na região.
A maioria dos raios gama da Via Láctea são originários de gás entre as estrelas que são iluminadas por raios cósmicos, partículas carregadas produzidas em poderosas explosões de estrelas chamadas supernovas. Isto cria um brilho de raios gama difuso que se estende por todo a galáxia. Os raios gama são também produzidos por pulsares - estrelas remanescentes de supernovas “que emitem feixes” de raios gama como faróis cósmicos - e outros objetos exóticos que aparecem como pontos de luz.
“Dois estudos recentes feitos por equipes nos EUA e a Holanda têm demonstrado o centro da via láctea está emitindo raios gama em excesso e salpicados, e isto não era o esperado para um sinal de matéria escura”, diz de KIPAC Eric Charles, que contribuíram para a nova análise. “Esses resultados sugerem que as manchas podem ser devido a fontes pontuais que não podemos ver com fontes individuais com o LAT porque a densidade de fontes de raios gama é muito alta e a luz difusa é mais brilhante no centro da galáxia.”
Restos de antigas estrelas
O novo estudo leva as análises anteriores para o próximo nível, demonstrando que o sinal de raios gama salpicado é consistente com pulsares.
“Considerando que cerca de 70 por cento de todas as fontes pontuais na Via Láctea são pulsares, eles seriam os candidatos mais prováveis”, diz Di Mauro. “Mas nós utilizamos uma de suas propriedades físicas para chegarmos a nossa conclusão. Pulsares têm espectros muito distintos, isto é, as suas emissões variam de um modo específico com a energia dos raios gama que emitem. Usando a forma destes espectros, fomos capazes de modelar o brilho do centro galáctico corretamente com uma população de cerca de 1.000 pulsares e sem a introdução de processos que envolvem partículas de matéria escura.”
A equipe está agora estudando os processos e acompanhando com telescópios de rádio para determinar se as fontes identificadas estão emitindo sua luz como uma série de pulsos - feixes de luzes breves que dão nome aos pulsares.
Descobertas no halo de estrelas em torno do centro da galáxia, a parte mais antiga da Via Láctea, também revelam detalhes sobre a evolução da nossa casa galáctica, assim como fósseis ensinam arqueólogos sobre a história humana.
“Pulsares isolados têm uma vida típica de 10 milhões de anos, o que é muito mais curto do que a idade das mais antigas estrelas próximas do centro galáctico”, diz Charles. “O fato de que ainda podemos ver os raios gama da população de pulsares que identificamos hoje sugere que os pulsares estão em sistemas binários com estrelas companheiras, a partir das quais eles lixiviam energia. Isso prolonga a vida dos pulsares tremendamente.”
A matéria escura permanece indefinida
Os novos resultados somam-se a outros dados que estão desafiando a interpretação do excesso de raios gama como um sinal de matéria escura.
“Se o sinal for devido a matéria escura, é de se esperar vê-lo também no centro da via láctea”, diz Digel. “O sinal deve ser particularmente claro em galáxias anãs que orbitam a Via Láctea. Estas galáxias têm poucas estrelas, normalmente não têm pulsares e são mantidos juntas, porque elas têm bastante matéria escura. No entanto, não vemos quaisquer emissões significativas de raios gama a partir delas “.
Os pesquisadores acreditam que um brilho de raios gama forte recentemente descoberto no centro da galáxia de Andrômeda, a grande galáxia mais próxima da Via Láctea, também pode ser causada por pulsares em vez de matéria escura.
Mas a última palavra não pode ter sido dita. Embora a equipe de Fermi-LAT estudou uma grande área de 40 graus por 40 graus em torno do centro galáctico da Via Láctea (o diâmetro da lua cheia é de cerca de meio grau), uma densidade extremamente alta de fontes nos mais internos quatro graus torna muito difícil de ver sinais individuais, como uma distribuição de raios gama de matéria escura, deixando pouco espaço para sinais de matéria escura para se esconderem.
Este trabalho foi financiado pela NASA e pelo DOE Office of Science, bem como agências e institutos na França, Itália, Japão e Suécia.
Traduzido e adaptado de Symmetry Magazine
Traduzido e adaptado de Symmetry Magazine
Um novo estudo de seis galáxias jovens formadoras de estrelas sugere que elas são menos influenciadas por matéria escura do que o esperado. Mas os resultados podem dizer mais sobre a evolução da galáxia do que sobre a natureza da matéria escura.
Esta impressão artística compara a rotação do disco de uam galáxia no universo distante (direita) e os dias de hoje (esquerda). ESO
Se Vera Rubin estivesse viva, eu gostaria de saber qual seria a reação dela com a notícia de hoje. Rubin e seu colega na Instituição Carnegie de Washington, Kent Ford, alcançou a fama astronômica quando eles mediram a rotação da nossa galáxia vizinha - Andrômeda - há 47 anos. O seu trabalho serviu como uma peça crucial de evidência para a existência de matéria escura.
Agora, na revista Nature, Reinhard Genzel (Instituto Max Planck, Garching, Alemanha) e colegas relatam medições similares de seis galáxias distantes - com um resultado surpreendentemente oposto à descoberta histórica de Rubin.
Descobrindo a matéria escura.
Quando Rubin e Ford recolheram os espectros de hidrogênio ionizado de Andrômeda, quase meio século atrás, eles mediram a velocidade de 67 nuvens de gás à medida que giravam em torno do centro da galáxia com muito mais precisão do que nunca. O que os astrônomos encontraram era na época bastante curioso: para além de 15.000 anos-luz ou mais do centro da galáxia, as velocidades das nuvens não abrandavam - as nuvens ultraperiféricas giraram tão rápido quanto aquelas muito mais próxima do centro. Ou a galáxia de Andrômeda estava voando para o além (o que não era provável) ou houve alguma questão adicional no exterior da galáxia que nós simplesmente não podíamos ver.
Este resultado inovador, embora não o primeiro a sugerir a existência de matéria escura, incentivou cientistas a começarem a levar o assunto a sério. E mesmo que os físicos ainda lutem para detectar partículas de matéria escura no laboratório, os astrônomos tiveram um enorme sucesso no apoio à sua existência.
Aglomerados de galáxias também mostram evidências de matéria escura. galáxias distorcidas nas bordas da lente gravitacional Abell 1689, um aglomerado de galáxias a 2,2 bilhões de anos-luz de distância, em Virgem. A sobreposição roxa nesta imagem do telescópio espacial Hubble mostra a distribuição da matéria escura dentro do aglomerado, conforme determinado a partir do efeito de lentes gravitacionais fracas.
Desde a publicação de Rubin e Ford em 1970, os cientistas descobriram múltiplas linhas de evidência para a matéria escura, como as rotações de galáxias dentro de clusters (aglomerados), lente gravitacional fraca, e simulações computacionais em grande escala da distribuição de galáxias no universo. Estas observações sugerem que as galáxias e até mesmo aglomerados de galáxias são abrigados em gigantescos e enormes halos de matéria escura, que começaram a se juntar antes das estrelas começarem a brilhar.
É por isso que as seis galáxias estudadas pela equipe de Genzel provaram ser tão surpreendentes.
Halos faltantes
Uma das seis galáxias que Genzel e seus colegas estudaram. A moldura da esquerda mostra uma representação de cores falsas do hidrogênio da galáxia. O quadro à direita mostra a mudança da linha alfa de hidrogênio, que a equipe usou para determinar a rotação da galáxia. MPE
Genzel e colegas observaram várias centenas de galáxias formadoras de estrelas no universo distante (2,5 bilhões a 8 bilhões de anos após o Big Bang), utilizando o Very Large Telescope do Observatório Europeu do Sul. As galáxias possuem massa igual ou maior que a via láctea, o que é bastante grande, considerando que nós estamos procurando-as milhares de milhões de anos atrás no tempo. As galáxias também estão se formando no valor de 50 a 200 estrelas como o nosso Sol a cada ano, uma taxa típica de formação de estrelas para esta era cósmica.
Como Rubin e Ford, a equipe de Genzel mediu o movimento das nuvens de gás hidrogênio. Ao contrário de Rubin e Ford, as novas medições mostraram que em direção à borda das seis enormes galáxias formadoras de estrelas, as nuvens se desaceleram. Dados médios de 97 outras (mais fracas) galáxias mostram o mesmo resultado.
Isso não quer dizer que não há matéria escura lá - só não há tanto quanto o esperado. A matéria escura amortece estas galáxias e parece ser bastante ténue.
Evolução de galáxias e halos
Acontece que estes resultados podem dizer mais sobre o caminho da evolução da galáxia do que sobre a natureza da matéria escura. Na verdade, simulações de computador de matéria escura pode até ter previsto o que Genzel e colegas observaram.
Uma possibilidade, como diz Mark Swinbank (Universidade de Durham, UK), autor de um artigo de opinião que acompanha o Nature artigo, é que os halos de matéria escura dessas galáxias ainda estão em processo de crescimento. Mas isso iria mudar fundamentalmente a forma como vemos a evolução da galáxia, onde a imagem padrão diz que os halos foram - em grande parte - formados antes do gás e as estrelas se juntarem.
Outra possibilidade é que nós estamos simplesmente vendo essas galáxias durante uma época crucial. A equipe de Genzel escolheu observar galáxias maciças no disco formação de estrelas durante o "meio-dia cósmico", o pico de formação de estrelas no Universo. Estes são os precursores antigos para galáxias elípticas "vermelhas e mortas" que podemos ver próximas da Via Láctea, assim apelidadas pela sua cor avermelhada e as suas baixas taxas de formação de estrelas. Simulações de computador recentes, feitas por Adi Zolotov (The Hebrew University, Israel, e Ohio State University) e colegas, mostram que praticamente todas essas galáxias massivas tomaram o caminho rápida em direção a evolução, sua jornada foi instigada por um único evento.
Quer se trate de uma fusão com outra galáxia ou fluxos de gás na entrada da galáxia da teia cósmica maior, este evento desencadeia uma explosão de formação estelar no centro da galáxia. Como resultado, enormes galáxias formadoras de estrelas durante esta época cósmica vão parecer muito mais compactas do que realmente são - "nuggets azuis", como Zolotov e seus colegas se referem a elas. Então a medição da rotação de 'nuggets' não irá revelar o halo de matéria escura em torno deles, porque as observações cobririam apenas as partes das galáxias que são dominadas pela matéria normal.
Uma questão de resolução
É interessante notar que outras simulações, como illustris e Águia, não fazem a mesma previsão, mas Primack ressalta que isto pode ser devido a sua visão mais distorcida. Simular um universo inteiro é uma batalha entre a resolução, volume e tempo em função do tempo de computação. Enquanto as simulações illustris e Eagle podem ver elementos acima de 3.000 anos-luz de diâmetro (eles não podem fazer a regiões de formação estelar, por exemplo), as simulações mais dispendiosas na qual Primack e Zolotov estão envolvidos poderão ver detalhes tão finos quanto 60 anos luz.
"Ambos são úteis," diz Primack, "mas para descobrir o que está realmente acontecendo dentro destas galáxias, você realmente tem que simular estes ambientes em alta resolução."
Traduzido e adaptado de Sky and Telescope
Traduzido e adaptado de Sky and Telescope
A descoberta pode explicar um dos maiores mistérios da física - por que nosso universo parece funcionar de uma forma ligeiramente diferente do que era nos anos logo após o Big Bang, e que também poderia lançar uma visão sobre como ele pode continuar a evoluir no futuro.
"A discrepância entre os parâmetros cosmológicos do universo moderno e do universo logo após o Big Bang podem ser explicados pelo fato de que a proporção de matéria escura diminuiu", disse o co-autor Igor Tkachev, do Instituto de Pesquisa Nuclear em Moscou.
"Nós fomos agora, pela primeira vez, capaz de calcular a quantidade de matéria escura que poderia ter sido perdida, e qual seria o tamanho correspondente do componente instável."
O mistério em torno da matéria escura foi trazido pela primeira vez na década de 1930, quando astrofísicos e astrônomos observaram que as galáxias se mudaram de maneiras estranhas, parecendo estarem sob o efeito de algo que não poderia ser explicado através da conhecida matéria e energia visível do Universo.
Esta força gravitacional deve ter vindo de algum lugar. Assim, os pesquisadores inventaram um novo tipo de "matéria escura" para descrever a massa invisível responsável pelas coisas que eles estavam testemunhando.
A partir de agora, a hipótese corrente afirma que o Universo é feito de 4,9 por cento de matéria normal - o material que podemos ver como galáxias e estrelas - 26,8 por cento de matéria escura, e 68,3 por cento de energia escura, um tipo hipotético de energia que é espalhada por todo o Universo, e que pode ser responsável pela expansão do Universo.
Mas mesmo que a maioria da matéria prevista para estar no Universo seja realmente escura, muito pouco se sabe sobre a matéria escura - na verdade, os cientistas ainda não foram capazes de provar que ela realmente existe.
Uma das maneiras dos cientistas estudarem a matéria escura é examinando a radiação cósmica de fundo (CMB), que alguns chamam de 'eco do Big Bang'. A CMB é a radiação térmica que sobrou do Big Bang, tornando-se uma cápsula do tempo astronômica na qual pesquisadores podem usar para entender o início do Universo bebê.
O problema é que os parâmetros cosmológicos que governam a maneira como nosso Universo funciona - tais como a velocidade da luz e da forma como a gravidade funciona - parecem diferir muito ligeiramente da CMB em comparação com os parâmetros que sabemos que existem no universo moderno.
"Esta variação foi significativamente maior do que as margens de erro e erros sistemáticos conhecidos por nós", explica Tkachev. "Por isso, estamos ambos lidando com algum tipo de erro desconhecido, ou a composição do universo antigo é consideravelmente diferente do universo moderno."
Uma das hipóteses que podem explicar por que o Universo primitivo era tão diferente é a " hipótese da decomposição da matéria escura ou DDM" - a ideia de que a matéria escura foi desaparecendo lentamente do Universo.
E isso é exatamente o que Tkachev e seus colegas analisaram em um nível matemático, procurando apenas a quantidade de matéria escura pode ter se deteriorado desde a criação do Universo.
O principal autor do estudo, Dmitry Gorbunov, também do Instituto de Pesquisa Nuclear, explica :
"Vamos imaginar que a matéria escura consiste de vários componentes, como em matéria ordinária (prótons, elétrons, nêutrons, neutrinos, fótons). E um componente que consiste de partículas instáveis, com uma longa vida útil.
Na era da formação do hidrogênio, centenas de milhares de anos após o Big Bang, eles ainda estão no universo, mas até agora (milhares de milhões de anos depois), eles desapareceram, tendo decaído em neutrinos ou partículas relativistas hipotéticas. Nesse caso, a quantidade de matéria escura na era da formação de hidrogênio e hoje será diferente."
Para chegar a um pressuposto, a equipe analisou dados retirados das observações do telescópio Planck sobre a CMB, e comparou-o a diferentes modelos de matéria escura como a DDM.
Eles descobriram que o modelo DDM retrata com precisão os dados observacionais do universo moderno sobre outras possíveis explicações para o porquê do nosso universo parecer tão diferente hoje em comparação com o universo logo após o Big Bang.
A equipe foi capaz de levar o estudo a mais um passo através da comparação dos dados CMB para os estudos observacionais modernos do universo e para várias correções de erros em efeitos cosmológicos - como lente gravitacional, que pode amplificar regiões do espaço, graças à maneira com que a gravidade dobra a luz.
No final, eles sugerem que o Universo possa ter perdido algo entre 2 e 5 por cento da sua matéria escura desde o Big Bang, como resultado dessas partículas de matéria escura hipotéticos em decomposição ao longo do tempo.
"Isto significa que no universo de hoje, há 5 por cento menos matéria escura do que na era de recombinação", conclui Tkachev .
"Nós não estão atualmente em condições de dizer o quão rapidamente esta parte instável se deteriorou, a matéria escura poderá ainda estar se desintegrando mesmo agora, apesar de que seria um modelo diferente e consideravelmente mais complexo."
Estes resultados sugerem que a matéria escura decai ao longo do tempo, fazendo o Universo se movimentar de várias maneiras diferentes do que ele fazia no passado, embora os resultados exigem uma investigação maior antes de qualquer coisa dita com certeza.
Mesmo assim, esta pesquisa está um passo mais perto de compreender a natureza da matéria escura, e resolver um dos maiores mistérios da ciência - por que o Universo se parece com como ele é agora, e como ele irá evoluir no futuro.
O trabalho da equipe foi publicado na Physical Review D .
Science Alert
Este mapa da matéria escura no universo (processado em rosa) revela uma teia de regiões vazias (escuras) densa (luz) e. A imagem foi criada com dados da Pesquisa Grau Kilo (crianças), usando o telescópio VLT Survey no (ESO) Observatório Paranal do sul do Observatório Europeu no Chile. Esta imagem é uma de cinco manchas de céu observado por crianças. Crédito: Kilo-Degree Entrevista de Colaboração/ H. Hildebrandt & B. Giblin / ESO
A matéria escura, a substância misteriosa invisível que compõe cerca de 27 por cento da massa do universo, pode não ser tão agrupada como cientistas pensavam anteriormente.
Em 2013, pesquisadores com missão Planck da Europa, que estudaram a luz mais antiga do universo, descobriram que a matéria escura tem se agrupado ao longo do tempo através da atração gravitacional. O que começou como uma distribuição lisa e uniforme da matéria escura pedaços densos lentamente formados ao longo do tempo.
Mas uma nova pesquisa em (ESO) Very Large Telescope do sul do Observatório Europeu (VLT) e do Observatório Paranal, no Chile sugere que a matéria escura não é tão agrupada quanto a missão Planck descobriu anteriormente.
"Este último resultado indica que a matéria escura na teia cósmica, que responde por cerca de um quarto do conteúdo do universo, é menos agrupada do que se acreditava anteriormente", disse Massimo Viola, pesquisador do Observatório de Leiden, na Holanda, que co liderada no estudo, em um comunicado.
Para ver como a matéria escura é distribuída no universo, a equipe internacional de pesquisadores usou dados da Kilo Degree Survey (KiDS) do VLT Survey Telescope. Este inquérito celeste profundo observou cerca de 15 milhões de galáxias em cinco manchas de céu do sul, cobrindo uma área tão grande quanto 2.200 luas cheias (ou 450 graus quadrados).
Como a gravidade da matéria escura podem curvar a luz - um processo chamado de lente gravitacional - a luz proveniente destas 15 milhões de galáxias poderia revelar informações sobre a estrutura e distribuição da matéria escura, sugerem os pesquisadores. Neste estudo, eles procuraram uma variação deste fenômeno conhecido como lente gravitacional fraca, ou cisalhamento cósmico.
A lente gravitacional fraca é um efeito sutil que tem de ser medido com precisão. Quando as estruturas de grande escala como aglomerados de galáxias causam a lente gravitacional fraca, o efeito de deformação da luz é mais sutil e mais difícil de detectar do que lentes gravitacionais de objetos menores ao redor como estrelas. Mas, com imagens de alta resolução tiradas pelo telescópio VLT Survey, os pesquisadores foram capazes de detectar esse efeito sutil. Este estudo é o primeiro a utilizar este método de imagem em uma parcela tão grande do céu para mapear a matéria invisível no universo, escreveram os autores.
Quando os pesquisadores então usaram estes dados para calcular quão aglutinada é a matéria escura, eles descobriram que ela é significativamente mais suave do que os dados do satélite Planck haviam determinado anteriormente. Isto significa que a matéria escura podem ser mais bem distribuída do que os cientistas pensavam.
A maneira com que a matéria escura se espalhou e aglutinou-se desde que o Big Bang aconteceu a 13,8 bilhões de anos atrás, pode fornecer insights sobre a evolução do Universo, de acordo com o co-autor Hendrik Hildebrandt do Instituto Argelander de Astronomia, em Bonn, Alemanha. "Nossos resultados ajudarão a refinar nossos modelos teóricos de como o Universo tem crescido desde o seu início até os dias de hoje", disse Hildebrandt na mesma declaração.
"Nós vemos uma discrepância intrigante com a cosmologia de Planck no momento," co-autor Konrad Kuijken do Observatório Leiden, na Holanda, que é investigador principal do estudo dos miúdos, disse no comunicado. "Futuras missões, como o satélite Euclid e o Large Synoptic Survey Telescope (LSST) nos permitirá repetir estas medidas e entender melhor o que o Universo tem realmente a nos dizer".
Traduzido e adaptado de Space
"Este último resultado indica que a matéria escura na teia cósmica, que responde por cerca de um quarto do conteúdo do universo, é menos agrupada do que se acreditava anteriormente", disse Massimo Viola, pesquisador do Observatório de Leiden, na Holanda, que co liderada no estudo, em um comunicado.
Para ver como a matéria escura é distribuída no universo, a equipe internacional de pesquisadores usou dados da Kilo Degree Survey (KiDS) do VLT Survey Telescope. Este inquérito celeste profundo observou cerca de 15 milhões de galáxias em cinco manchas de céu do sul, cobrindo uma área tão grande quanto 2.200 luas cheias (ou 450 graus quadrados).
Como a gravidade da matéria escura podem curvar a luz - um processo chamado de lente gravitacional - a luz proveniente destas 15 milhões de galáxias poderia revelar informações sobre a estrutura e distribuição da matéria escura, sugerem os pesquisadores. Neste estudo, eles procuraram uma variação deste fenômeno conhecido como lente gravitacional fraca, ou cisalhamento cósmico.
O que é uma lente gravitacional fraca? Este fenômeno ocorre quando a matéria em primeiro plano e da matéria escura contida em aglomerados de galáxias dobram a luz de galáxias de fundo - como olhar através do fundo de um copo de vinho. A medição da quantidade da distorção das galáxias de fundo indiretamente revela a quantidade de matéria escura que aglutina-se em objetos em primeiro plano. Medindo a taxa desta agregação da matéria escura através de diferentes eras da história do universo revela o quanto de energia escura esta esticando o universo em determinados momentos, revelando assim a força e as propriedades dessa misteriosa força. Este diagrama explica o fenômeno da lente gravitacional. de aglomerados de primeiro plano da matéria escura em aglomerados de galáxias gravitacionalmente curvando a luz que vem na direção da Terra de galáxias de fundo. Note-se que a imagem não está à escala.
Quando os pesquisadores então usaram estes dados para calcular quão aglutinada é a matéria escura, eles descobriram que ela é significativamente mais suave do que os dados do satélite Planck haviam determinado anteriormente. Isto significa que a matéria escura podem ser mais bem distribuída do que os cientistas pensavam.
A maneira com que a matéria escura se espalhou e aglutinou-se desde que o Big Bang aconteceu a 13,8 bilhões de anos atrás, pode fornecer insights sobre a evolução do Universo, de acordo com o co-autor Hendrik Hildebrandt do Instituto Argelander de Astronomia, em Bonn, Alemanha. "Nossos resultados ajudarão a refinar nossos modelos teóricos de como o Universo tem crescido desde o seu início até os dias de hoje", disse Hildebrandt na mesma declaração.
"Nós vemos uma discrepância intrigante com a cosmologia de Planck no momento," co-autor Konrad Kuijken do Observatório Leiden, na Holanda, que é investigador principal do estudo dos miúdos, disse no comunicado. "Futuras missões, como o satélite Euclid e o Large Synoptic Survey Telescope (LSST) nos permitirá repetir estas medidas e entender melhor o que o Universo tem realmente a nos dizer".
Traduzido e adaptado de Space
Cosmologia é o ramo da Astronomia que envolve a origem e evolução do universo, desde o Big Bang ao presente futuro, até o futuro. De acordo com a NASA, a definição de cosmologia é “o estudo científico das propriedades de grande escala do universo como um todo".
Os cosmólogos debruçam-se sobre conceitos exóticos tal como a Teoria das Cordas, a Matéria Escura ou se, de fato, há somente um Universo ou muitos outros (Teoria do Multiverso). Ao passo de que a astronomia lida com outros aspectos do estudo do Cosmos, tal como objetos individuais (estrelas, exoplanetas, nebulosas), fenômenos e coleções de objetos (aglomerados, galáxias), a Cosmologia se estende por todo o universo, desde seu nascimento até sua morte, acumulando inúmeros novos mistérios a cada passo dado.
Captura Instantânea de uma simulação em computador da formação de estruturas de grande escala do universo, mostrando um pedaço de 100 milhões de anos-luz e os movimentos resultantes de galáxias que fluem em direção à maior concentração de massa no centro. Crédito: ESO
História da Cosmologia & Astronomia
A compreensão da humanidade sobre o Universo evoluiu significantemente ao longo do tempo. No início da história da astronomia, a Terra fora considerada o centro de todas as coisas, com planetas e estrelas orbitando-a. No século XVI, o cientista polonês Nicolau Copérnico sugeriu que a Terra e os outros planetas do Sistema Solar, de fato, orbitavam o Sol, criando uma profunda mudança (Modelo Heliocêntrico) na compreensão do Cosmos. No final do século XVII, Isaac Newton calculou como a força entre os planetas – especificamente as forças gravitacionais – interagiam umas com as outras.
O despontar do século XX trouxe novas perspectivas no intuito de compreender melhor o universo. Albert Einstein propôs a unificação do tempo e do espaço na sua famosa Teoria da Relatividade Geral. No início de 1900, os cientistas estavam debatendo se a Via Láctea continha todo o Universo dentro da sua extensão, ou se ela era simplesmente uma de muitas outras ‘coleções de estrelas’. Edwin Hubble calculou a distância de uma longínqua nebulosa difusa no céu e determinou que ela estava fora dos domínios da Via Láctea, provando que nossa galáxia tratava-se apenas de uma pequena gota em um oceano muito maior do que o imaginado, composto por outras bilhões e bilhões de outras galáxias espaço afora. Usando a Relatividade Geral para comprovar sua teoria, Hubble mediu diversas galáxias e determinou que elas estavam se afastando de nós, levando-o a concluir que o universo não era estático, mas que estava e está em expansão.
Nas últimas décadas, o cosmólogo Stephen Hawking determinou que o Universo em si não é infinito, mas possui um tamanho definível. No entanto, esse tamanho nunca fora medido com exatidão. É algo similar à uma pessoa viajando em torno da Terra; embora o planeta seja finito, ela nunca encontrará seu “fim”, mas, ao invés disso, constantemente circundará o globo. Hawking também propôs que o Universo não poderia continuar ‘para sempre’, mas acabaria por, um dia, terminar.
Alguns pesquisadores acreditam que os padrões de anéis concêntricos em medições da radiação cósmica de fundo são evidência de um universo que existia antes de nosso próprio nascer no Big Bang. Crédito: Roger Penrose e Vahe Gurzadyan
Questões Cosmológicas Comuns
1. O Que Veio Antes do Big Bang?
Devido à natureza fechada e finita do universo, não podemos ver o que há “fora” do nosso próprio universo. O espaço e o tempo começaram com o Big Bang. Embora haja uma série de especulações sobre a existência de outros universos, não há uma maneira prática de observá-los, e como tal nunca haverá qualquer evidência que comprove (ou renegue) sua(s) existência(s).
2. Onde Surgiu o Big Bang?
O Big Bang não aconteceu em um único ponto, mas em vez disso, em todos os lugares do universo, dado que o aparecimento do espaço (e do tempo) ocorreu logo após a "grande explosão", de uma só vez.
3. Se as outras galáxias estão se afastando de nós, isso não nos colocaria no centro do universo?
Não, porque se tivéssemos de viajar para uma galáxia distante, pareceria que todas as galáxias vizinhas similarmente estariam se afastando. Pense no universo como um balão gigante. Se você marcar vários pontos sobre o balão, em seguida, enchê-lo, notará que cada ponto se afasta uns dos outros, embora nenhum deles esteja num ‘centro’. A expansão universal funciona da mesma forma. Não há um centro em especial. Todas as galáxias podem ser consideraras os centros.
4. Quão Velho é o Universo?
O universo tem 13,8 bilhões de anos, com uma margem de cem milhões de anos pra mais ou pra menos.
5. O Universo Vai Acabar? Se sim, como?
[Resposta Aqui, jovem Padawan].
6. Quem veio primeiro: as galáxias ou as estrelas?
O Universo pós-Big Bang era composto predominantemente por hidrogênio, com um pouco de hélio jogado em boa medida. A gravidade causou o colapso do hidrogênio, formando estruturas. Contudo, os astrônomos não têm certeza se as primeiras bolhas de matéria formaram estrelas individuais que depois se juntaram pela gravidade, formando galáxias, ou se montantes colossais de elementos do tamanho de galáxias mais tarde formaram as estrelas...
Traduzido e adaptado de [SPACE]
A maioria do universo é composta de "coisas" que são invisíveis, possivelmente intangíveis e interagem com outras coisas apenas através da força da gravidade. Oh, sim, e os físicos não sabem como é esse material ou por que ele compõe a maioria da massa do universo - cerca de quatro quintos de sua composição.
Eles chamam isso de matéria escura.
Então, onde está essa coisa misteriosa que compõe um pedaço tão grande de nosso Universo, e quando os cientistas vão encontrá-la?
Primeiro de tudo: como sabemos que ela está lá fora?
A matéria escura foi hipotetizada pela primeira vez em 1930, quando o astrônomo suíço Fritz Zwicky percebeu que suas medições das massas dos aglomerados de galáxias mostraram que boa parte da massa no Universo estava "perdida". O que quer que estivesse deixando as galáxias mais pesadas, não emitia qualquer luz, nem interagia com qualquer outra coisa a não ser através de gravidade.
Vera Rubin, na década de 1970, descobriu que a rotação de galáxias não estava seguindo as previsões de Leis de Newton; as estrelas na galáxia de Andrômeda pareciam estar orbitando o centro com a mesma velocidade, em de se moverem mais lentamente, uma vez que estariam mais distantes, contrariando o que dizia as teorias da gravidade. Claramente, alguma coisa estava adicionando massa às partes externas das galáxias, algo que ninguém podia ver.
Outras evidências vieram das lentes gravitacionais, que ocorrem quando a gravidade de um objeto grande dobra as ondas de luz em torno desse objeto. Pela Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein, a gravidade curva o espaço (como um lutador de sumô deformando um tapete), raios tão leves curvam em torno de objetos massivos, embora a própria luz não possua massa. Observações indicaram que não havia massa visível o suficiente para dobrar a luz a medida que ela se curva em torno de certos aglomerados de galáxias - em outras palavras, as galáxias eram mais maciça do que deveriam ser.
Existem ainda a Radiação Cósmica de Fundo de microondas (CMB), o "eco" do Big Bang, e supernovas. "O que a CMB diz é que o universo é espacialmente plano", disse Jason Kumar, professor de física na Universidade do Havaí. "Espacialmente plano" significa que se você desenhar duas linhas em todo o universo, elas nunca se encontrariam, mesmo que essas linhas tivessem um bilhão de anos-luz de diâmetro. Em um Universo íngreme curvo, essas linhas se encontrariam em algum ponto no espaço.
Pesquisadores calcularam então qual a quantidade de matéria do universo deve ter para ser plano e produzir a quantidade de matéria normal (também chamada de bárions) observada no universo.
"Eu me pergunto se a quantidade de matéria que eu tenho é igual à matéria bariônica, e não é", disse Kumar.
Há agora uma pequena disputa entre os cosmólogos e astrônomos sobre a existência da matéria escura. No entanto, ela parece não ser afetada pela luz, e não é cobrado carregada como os elétrons ou prótons são. Até agora, ela tem escapado da detecção direta.
"Esse é o tipo de mistério", disse Kumar. Há algumas maneiras dos cientistas tentarem "ver" a matéria escura - quer através da sua interação com a matéria normal ou à procura de partículas que podem se tornar matéria escura.
O que não pode ser matéria escura?
Uma série de hipóteses vem e vão a respeito do que é a matéria escura. Uma das primeiras foi bastante lógica: a matéria estava escondida dentro os enormes objetos astrofísicos compactos com os halo ou MACHOs, tais como estrelas de nêutrons, buracos negros, anãs castanhas e planetas nômades ou interestelares. Eles não emitem luz (ou eles emitem muito pouca), então eles são efetivamente invisíveis aos telescópios.
No entanto, levantamentos de galáxias à procura de pequenas distorções na luz de estrelas de fundo produzidas por uma passagem de MACHOs - chamados eventos de microlentes - não poderiam explicar a quantidade de matéria escura em torno das galáxias, ou mesmo uma parte significativa da mesma. "MACHOs parecem tão excluídos como nunca", disse Dan Hooper, um cientista associado do Laboratório do Acelerador Nacional Fermi, em Illinois.
A matéria escura também não parece ser nuvens de gás que telescópios não possam ver. O gás difuso que absorve a luz das galáxias mais distantes, e acima disso, o gás ordinário reemite radiação em comprimentos de onda mais longos - o que deixaria uma radiação maciça de luz infravermelha no céu. Uma vez que essa luz não é vista, podemos descartar essa possibilidade, disse Kumar.
O que pode ser?
Partículas massivas que interagem fracamente, ou WIMPs, são alguns dos mais fortes concorrentes para explicar a matéria escura. WIMPs são partículas pesadas - cerca de 10 a 100 vezes mais pesadas do que um próton - que foram produzidos durante o Big Bang, embora apenas pequenas quantidades são deixados hoje. Estas partículas interagem com a matéria normal por gravidade ou a força nuclear fraca. WIMPs mais maciços iriam mover-se mais lentamente através do espaço, e, portanto, serem "frios" candidatos de matéria escura, enquanto que os mais leves iriam se mover mais rápido, e serem matéria escura "quente".
Uma maneira de encontrá-los é em experimentos "de detecção direta", como o Large Underground Xenon (LUX), que é um recipiente de xenon líquido em uma mina em Dakota do Sul. Se um núcleo de xenon parece "saltar" sem nenhuma explicação, ele seria um candidato que foi atingido com uma partícula de matéria escura. A magnitude do salto daria uma ideia da massa da nova partícula. Mas Hooper disse que o LUX ainda não viu nada.
Outra maneira de ver as WIMPs pode estar nos aceleradores de partículas. Aceleradores colidem núcleos atômicos próximo da velocidade da luz, e, nesse processo de colisão ultra energética, algumas novas partículas são produzidas. Até agora, porém, os aceleradores de partículas não detectaram qualquer coisa que se pareça com um candidato à matéria escura, também.
Os resultados de ambas detecção direta de partículas e aceleradores, no entanto, tem colocado um limite no tamanho e na massa desta hipotética partícula de matéria escura, disse Kumar. A sensibilidade do LUX é até 200 MeV, ou cerca de um quinto da massa de um próton, e poderia teoricamente ver partículas tão pesadas quanto 1 TeV, que é comparável a alguns tipos de quarks. Uma vez que o LUX não conseguiu ver nada até agora, poderíamos muito bem dizer que a matéria escura não está nesse intervalo.
Kumar disse que é possível que os WIMPs são realmente pesados, e como eles são tão maciços, simplesmente não há muitos deles, ou seja, a chance que eles baterem em um átomo de xenon é pequena.
Outra possibilidade: áxions. Estas partículas subatômicas podem ser detectadas indiretamente pelos tipos de radiação que emitem à medida que elas se aniquilam ou como eles se decompõem em outros tipos de partículas, ou aparecem em aceleradores de partículas. No entanto, não houve qualquer evidência direta de áxions.
Desde a detecção, partículas pesadas "frios", como WIMPs ou axions, não produziram resultados, no entanto, alguns cientistas estão olhando para a possibilidade de partículas mais leves e mais rápidas em movimento, que eles chamam de matéria escura "quente". Tem havido um interesse renovado em tal modelo de matéria escura depois que cientistas encontraram evidências de uma partícula desconhecida, usando o Observatório de Raios-X Chandra, no aglomerado de Perseus, um grupo de galáxias com cerca de 250 milhões de anos-luz da Terra. Os íons conhecidos desse aglomerado produziu certas linhas de emissão de raios-X, e, em 2014, os cientistas viram uma nova "linha" que pode corresponder a uma partícula leve desconhecida, disse Nicola Menci, astrofísico do Instituto Nacional da Itália de Astrofísica (INAF).
Se as partículas de matéria escura forem leves, os cientistas vão ter muito trabalho para detectá-las diretamente, disse Tracy Slatyer, físico do MIT. Slatyer propôs novos tipos de partículas que podem tornar-se matéria escura.
"A matéria escura com [a] massa inferior a cerca de 1 GeV é realmente difícil de detectar, com experimentos de detecção diretos convencionais, porque eles trabalham observando os recuos inexplicáveis de núcleos atômicos... mas quando a matéria escura é muito mais leve do que o núcleo atômico, a energia de recuo é muito pequena", disse Slatyer. Prótons - um núcleo de hidrogênio - não podem ser mais leves do que cerca de 938 MeV, então uma partícula que pesa na faixa keV seria 1.000 vezes mais leve. "Pense em uma bola de pingue-pongue quicando fora de uma bola de boliche; a bola de boliche não se moverá muito", disse ela.
Slatyer disse que há muita pesquisa a ser feita sobre a forma de encontrar partículas de matéria escura. O uso de "superfluidos" de hélio líquidos, semicondutores e até mesmo quebra de ligações químicas em cristais, estão entre as idéias que estão sendo pensadas.
Kumar disse que uma razão para que a matéria escura seja tão misteriosa é que os físicos acham que entendem, até certo ponto, como a nucleossíntese do Big Bang - as origens da matéria - trabalhou. O Modelo Padrão, que previu o bóson de Higgs, tem sido muito bem sucedido até agora, a menos que todos eles estiverem realmente errados sobre algo fundamental que é estranho que ninguém conseguiu detectar uma partícula de matéria escura ainda.
Se, por exemplo, partículas de matéria escura são muito diferentes do que muitos modelos atuais preveem, é possível que os aceleradores de partículas não tenham visto. Aceleradores, como o Large Hadron Collider são melhores em ver as coisas que interagem com a força nuclear forte, que decai em outras partículas.
"Se essa é a forma como a sua matéria escura funciona, esta é uma grande máquina para encontrá-la", disse ele. "Mas se não houver uma partícula mais pesada como essa, as coisas serão mais difíceis."
Traduzido e adaptado de LiveScience
Simulações de computador ajudam os cosmólogos a desvendar o mistério de como o Universo evoluiu.
Astrônomos estão enfrentando um problema único. Enquanto os cientistas da maioria dos campos podem realizar experiências da física de partículas construindo aceleradores de partículas maciços para testar suas teorias de material subatômico, e microbiologistas sondam as propriedades de micróbios em placas de Petri - astrônomos não podem realizar experimentos com as estrelas e planetas. Até mesmo os telescópios mais avançados podem fornecer apenas instantâneos do cosmos, e muito poucas alterações durante nossas vidas.
No entanto, muitas questões permanecem, por exemplo, como a Via Láctea é formada, o que é a matéria escura e qual o papel dos buracos negros supermassivos no centro de galáxias. Em uma tentativa mais próxima de responder a estes mistérios não resolvidos, alguns cientistas deram início a projetos ambiciosos: criar universos virtuais.
A simulação EAGLE mostra como buracos negros supermassivos ajudam a moldar galáxias.
Evolução do Cosmos
A evidência observacional mais antiga do Universo vem da radiação cósmica de fundo, o brilho criado pelo Big Bang. cosmólogos computacionais utilizam estes dados para modelar as condições, neste momento, quando o Universo tinha cerca de algumas centenas de milhares de anos.
Em seguida, eles adicionaram os ingredientes básicos: matéria bariônica (ou comum), a partir do qual as estrelas e os planetas se formam; a matéria escura, que permite estruturas galácticas crescerem; e energia escura, a força misteriosa por trás aceleração cósmica. Estas são classificadas em uma simulação juntamente com as equações que descrevem vários processos físicos, tais como explosões de supernovas e buracos negros. Os cosmólogos, em seguida, esperaram que a simulação evoluísse: O universo virtual se expande, o gás se condensa em pequenas estruturas e, eventualmente, formam-se estrelas e galáxias.
"O interessante é que, se você fizer isso, o universo que se desenvolve em um computador parece muito com o universo real", diz Joop Schaye da Universidade de Leiden e o investigador principal do Projeto EAGLE (Evolução e Montagem de Galáxias e seus ambientes, em inglês Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments). "Você começa com galáxias de todos os tipos de tamanhos e morfologias que se parecem muito com as galáxias reais."
Grupos de todo o mundo estão trabalhando nessas simulações. Em 2014, tanto o projeto EAGLE e o Projeto illustris, liderados pelo astrofísico teórico Mark Vogelsberger do MIT, deram grandes passos à frente com seus inovadores universos realistas. Ambas as simulações são enormes, cobrindo um espaço cúbico de cerca de 300 milhões de anos-luz de cada lado. Eles também exigem uma boa quantidade de poder computacional e apenas uma corrida completa requer grandes supercomputadores executando durante meses seguidos.
"O que acabamos fazendo é rodar a grande simulação de uma vez, mas queremos entender por que o Universo se comporta da maneira que ele se comporta", diz Richard Bower, cosmólogo da Universidade de Durham e membro do Projeto de EAGLE. "Então, nós estamos executando muitas outras simulações onde nós mudaremos as coisas um pouco."
Estas simulações já revelaram algumas propriedades interessantes de galáxias em evolução. Bower e seus colegas, por exemplo, descobriram que o número e o tamanho das galáxias é dependente de um bom equilíbrio entre as supernovas e buracos negros.
Usando sua simulação, eles descobriram que, sem supernovas, o universo criaria demasiadas galáxias. Isso ocorre porque, sem supernovas explodindo, muitas pequenas galáxias não explodiriam junto com elas.
Por outro lado, eles descobriram que incluindo apenas supernovas, as galáxias cresceriam muito maciças - cerca de 10 vezes a massa da Via Láctea. Para gerenciar o tamanho dessas galáxias, eles precisavam também incluir buracos negros.
"O supernovas e buracos negros competem pelo mesmo material que é fornecido pela galáxia", explica Bower. "Uma vez que as supernovas começam a diminuir, o buraco negro assume, marcando o final da formação de estrelas e o início da formação de buracos negros cada vez maiores."
Densidade de matéria escura (à esquerda) faz a transição para a densidade do gás (à direita).A simulação EAGLE mostra como buracos negros supermassivos ajudam a moldar galáxias.
Evolução do Cosmos
A evidência observacional mais antiga do Universo vem da radiação cósmica de fundo, o brilho criado pelo Big Bang. cosmólogos computacionais utilizam estes dados para modelar as condições, neste momento, quando o Universo tinha cerca de algumas centenas de milhares de anos.
Em seguida, eles adicionaram os ingredientes básicos: matéria bariônica (ou comum), a partir do qual as estrelas e os planetas se formam; a matéria escura, que permite estruturas galácticas crescerem; e energia escura, a força misteriosa por trás aceleração cósmica. Estas são classificadas em uma simulação juntamente com as equações que descrevem vários processos físicos, tais como explosões de supernovas e buracos negros. Os cosmólogos, em seguida, esperaram que a simulação evoluísse: O universo virtual se expande, o gás se condensa em pequenas estruturas e, eventualmente, formam-se estrelas e galáxias.
"O interessante é que, se você fizer isso, o universo que se desenvolve em um computador parece muito com o universo real", diz Joop Schaye da Universidade de Leiden e o investigador principal do Projeto EAGLE (Evolução e Montagem de Galáxias e seus ambientes, em inglês Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments). "Você começa com galáxias de todos os tipos de tamanhos e morfologias que se parecem muito com as galáxias reais."
Grupos de todo o mundo estão trabalhando nessas simulações. Em 2014, tanto o projeto EAGLE e o Projeto illustris, liderados pelo astrofísico teórico Mark Vogelsberger do MIT, deram grandes passos à frente com seus inovadores universos realistas. Ambas as simulações são enormes, cobrindo um espaço cúbico de cerca de 300 milhões de anos-luz de cada lado. Eles também exigem uma boa quantidade de poder computacional e apenas uma corrida completa requer grandes supercomputadores executando durante meses seguidos.
"O que acabamos fazendo é rodar a grande simulação de uma vez, mas queremos entender por que o Universo se comporta da maneira que ele se comporta", diz Richard Bower, cosmólogo da Universidade de Durham e membro do Projeto de EAGLE. "Então, nós estamos executando muitas outras simulações onde nós mudaremos as coisas um pouco."
Estas simulações já revelaram algumas propriedades interessantes de galáxias em evolução. Bower e seus colegas, por exemplo, descobriram que o número e o tamanho das galáxias é dependente de um bom equilíbrio entre as supernovas e buracos negros.
Usando sua simulação, eles descobriram que, sem supernovas, o universo criaria demasiadas galáxias. Isso ocorre porque, sem supernovas explodindo, muitas pequenas galáxias não explodiriam junto com elas.
Por outro lado, eles descobriram que incluindo apenas supernovas, as galáxias cresceriam muito maciças - cerca de 10 vezes a massa da Via Láctea. Para gerenciar o tamanho dessas galáxias, eles precisavam também incluir buracos negros.
"O supernovas e buracos negros competem pelo mesmo material que é fornecido pela galáxia", explica Bower. "Uma vez que as supernovas começam a diminuir, o buraco negro assume, marcando o final da formação de estrelas e o início da formação de buracos negros cada vez maiores."
Zoom in
Existem dois tipos de simulações neste campo de simulações de volume de estudo representativo, o modelo de grandes volumes do universo observável, e simulações de zoom, que incidem sobre galáxias individuais ou aglomerados de galáxias.
A medida que os astrônomos coletam mais e mais detalhes instantâneos do universo, os cosmólogos como Andrew Pontzen da Universidade College London estão usando simulações de zoom para tentar investigar as propriedades das galáxias individuais no mesmo nível de especificidade. "Nós estamos tentando avançar na compreensão das galáxias individuais em detalhe suficiente para que possamos fazer comparações significativas com esses dados realmente na vanguarda", diz Pontzen.
Para fazer isso, Pontzen e seus colegas desenvolveram uma técnica chamada de modificação genética, que envolve a criação de muitas versões diferentes de galáxias. "Ele torna-se quase como um experimento", diz Pontzen. "Você tem o controle sobre determinadas formas de objetos e, em seguida, você pode dizer se eles se formam em uma determinada maneira em particular, em seguida, a galáxia que sai no final se parecerá com esses objetos." Por exemplo, você mudar a maneira com que a massa chega nas galáxias ao longo do tempo e ver como isso afeta a galáxia que emerge.
De forma semelhante, os cosmólogos trabalham com simulações de maior escala que podem "girar os botões", alterando algumas variáveis como leis da gravidade ou as propriedades da matéria escura, por exemplo, e ver como o universo que emergirá a partir disso, se parece. "Eu acho que é muito interessante tentar restringir as propriedades da matéria escura e energia escura através destas simulações", diz Vogelsberger. "Nós não sabemos o que são, mas por ajustes de parâmetros menores destes modelos, podemos tentar restringir as propriedades da matéria escura ou energia escura em mais detalhes."
Estes cientistas também trabalham em estreitas colaborações com os observadores para comparar como as simulações se comparam com o que está realmente lá fora no Universo. "Essa é a parte crítica", diz Pontzen. "Queremos ser capazes de relacionar todas essas coisas juntas."
Traduzido e adaptado de Symmetry Magazine
A surpreendente descoberta de um enorme galáxia do tamanho da Via Láctea feita de 99,99 por cento de matéria escura tem feito os astrônomos sonharem com novas ideias sobre como as galáxias se formam.
Os astrônomos sabem há muito tempo sobre pequenas galáxias dominadas de matéria escura. Nenhuma deveria ser tão grande quanto galáxias espirais comuns, tais como NGC 3810.
Entre as milhares de galáxias no Aglomerado Coma, um grupo enorme de matéria a cerca de 300 milhões de anos-luz de distância, existe pelo menos uma - e talvez algumas centenas - que não deveriam existir.
Dragonfly 44 é uma galáxia escura, com uma estrela para cada cem na nossa Via Láctea. Mas se estende pelo mesmo espaço que nossa galáxia, a Via Láctea, ocupa. Além disso, ela é massiva o suficiente para rivalizar com a nossa própria galáxia, de acordo com resultados publicados na Astrophysical Journal Letters, no final de agosto. Essa estranha combinação é crucial: Dragonfly 44 é tão escura e tão pesado que alguns astrônomos acreditam que ela vai forçar uma revisão de nossas teorias de formação de galáxias ou nos ajudar a compreender as propriedades da matéria escura, o material misterioso que interage com matéria normal por gravidade e por nenhuma outra coisa mais. Ou por ambas.
A descoberta veio quase por acidente. Os astrônomos Pieter van Dokkum, da Universidade de Yale e Roberto Abraham, da Universidade de Toronto estavam interessados em testar teorias de como as galáxias se formam através da procura de objetos que têm estado invisíveis até mesmo para os telescópios mais avançados: objetos fracos, ralos e estendidos no céu. Assim, sua equipe construiu a matriz de telefoto Dragonfly, uma coleção de lentes Canon modificada que concentra a luz em sensores de câmera comerciais. Esta configuração reduziu qualquer luz dispersa dentro do sistema que pode esconder um objeto escuro.
O plano era estudar as franjas fracas de galáxias próximas. Mas o famoso aglomerado Coma - a coleção de galáxias que há muito tempo inspirou a conjectura de astrônomo Fritz Zwicky sobre a existência da matéria escura - deu um sinal. Eles planejavam estudar a luz interna do aglomerado de Coma - o fraco brilho de estrelas soltas flutuando entre as galáxias do aglomerado.
Em vez disso, eles encontraram 47 manchas fracas que não sumiam. Estas manchas pareciam ter diâmetros aproximadamente o mesmo tamanho que a Via Láctea. Ainda de acordo com os modelos comumente aceitos de formação de galáxias, qualquer coisa tão grande não deveria ser tão fraca.
Nessas teorias, aglomerados de matéria escura semeiam o Universo com a luz. Em primeiro lugar, nuvens de matéria escura se aglutinam em halos de matéria escura relativamente densos. Em seguida, gases e fragmentos de outras galáxias, atraídos pela gravidade do halo, recolhem-se no centro. Eles giram para fora em um disco e colapsam em estrelas luminosas para formar algo que podemos ver através de telescópios. Todo o processo parece ser razoavelmente previsível em grandes galáxias como a nossa Via Láctea. Medindo o halo de matéria escura de uma galáxia ou sua variedade de estrelas, você deve ser capaz de prever o outro dentro de um fator de dois.
Depois de Abraham e van Dokkum perceberam que eles estavam olhando para 47 exceções, eles fizeram uma pesquisa através da literatura. Eles descobriram que bolhas difusas semelhantes têm estado na borda da descoberta desde os anos 1970. Van Dokkum considerou a substituição de chapas fotográficas astronômicas - que eram talvez mais adequadas para capturar objetos prolongados e difusos - por sensores digitais modernos podem realmente ter escondido essas bolhas.
Abraham e van Dokkum notaram pela primeira vez as suas manchas na primavera de 2014. Desde então, "galáxias ultra-difusas," semelhantes ou UDGs, foram descobertas em outros agrupamentos de galáxias como os aglomerados de Virgem e Fornax. E no conjunto do Coma, outro estudo sugeriu que pode haver mais de mil deles, incluindo 332 que são quase tão grandes quanto a Via Láctea.
Enquanto isso, a equipe da Dragonfly vem avançando o caso que estas novas galáxias fracas realmente são peças estranhas que desafiam a teoria atual. Elas são galáxias que falharam. A matéria escura está plantada nas sementes de um disco em espiral e nas estrelas, mas, de alguma formam, a estrutura luminosa não germina.
Nem todo mundo está tão convencido. Embora essas UDGs possam ser grandes, elas não são necessariamente maciças, argumentam alguns astrônomos. Uma ideia é que UDGs podem ser galáxias leves que parecem infladas porque elas estar sendo dilaceradas por marés gravitacionais do resto do aglomerado Coma.
Michelle Collins, um astrônomo da Universidade de Surrey, argumenta que "o único outro lugar que já vimos coisas que são tão extremos é o Grupo Local," referindo-se ao pequeno e fraco grupo de "galáxias anãs" que freqüentemente orbitam galáxias maiores como a nossa Via Láctea. "Elas são todas as coisas que estão sendo rasgadas." Isso faria com que a maioria dos UDGs sejam apenas grandes galáxias anãs se rasgando em pedaços.
Outra possibilidade depende da ideia de que as galáxias podem "respirar". No final de 2015, Kareem El-Badry, que era na época um estudante de graduação na Universidade de Yale, propôs que as galáxias podem inchar e, em seguida, entrar em colapso em tamanho por um fator de dois. Neste processo, o gás cai primeiro na galáxia, formando estrelas de grande massa - a respiração nas estrelas acabam rapidamente com as suas vidas em explosões de supernovas que lançam gás para fora da galáxia. O gás, eventualmente esfria, e a gravidade puxa-o de volta na direção do centro galáctico. Em uma galáxia solitária, este ritmo pode continuar indefinidamente. Mas no ambiente hostil do aglomerado Coma, onde o gás quente preenche o espaço entre as galáxias, o gás exala para fora, deixando toda a galáxia presa em um estado inchado.
No entanto, outra interpretação, sugerida em março de 2016 pelos astrofísicos da Universidade de Harvard Nicola Amorisco e Avi Loeb, é que as UDGs são galáxias comuns que estão apenas girando rápido. "Em nosso cenário, é muito natural", disse Loeb.
Essa ideia pega carona em teorias padrão de formação de galáxias, em que o gás derrama em um halo de matéria escura para construir uma galáxia. À medida que o material cai, ele começa a rodar. A quantidade de rotação determina o tamanho da final da galáxia. Sem muita rotação, a gravidade puxa a galáxia em uma forma compacta. Mas galáxias que ficam em um impulso de rotação grande podem girar-se para fora em discos grandes e leves.
A galáxia escura Dragonfly 44. A barra de escala representa uma distância de 10 kiloparsecs, ou cerca de 33.000 anos-luz.
Essas idéias podem muito bem explicar uma parte da população UDG's, de acordo com Abraham. "Provavelmente isso vai evoluir para uma mescla de coisas", disse ele. Mas de acordo com dados mais recentes do seu time, obtidos a partir de observações que se estendem a partir de 33,5 horas no telescópio de 10 metros Keck II, no Havaí, não há evidências de que a galáxia Dragonfly 44 está girando. Além disso, eles argumentam que a massa total da galáxia tem cerca de um trilhão de sóis - maciça o suficiente para impedir que seja rasgada como uma galáxia anã, e mais pesada do que as galáxias pensadas para soprar periodicamente.
Essa medição de massa é o ponto de atrito real, disse Philip Hopkins, astrofísico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia que está preparando vários documentos sobre as UDGs. Ele vem de duas observações de diferentes partes do Dragonfly 44. Em primeiro lugar, o movimento das estrelas em regiões interiores da galáxia sugerem que a área é enorme, cheia de matéria escura. Em segundo lugar, nos arredores da galáxia são o lar de uma série de aglomerados globulares - bolas antigas e compactas de estrelas. Assim como o número de estrelas em uma galáxia está normalmente ligado à quantidade de matéria escura, observações mostram que quanto mais galáxias os aglomerados globulares tem, maior a massa do seu halo de matéria escura. Dragonfly 44 tem tem o mesmo nível de massa da Via Láctea. Outras UDGs parecem ter lotes de aglomerados globulares, também.
A descoberta gerou interesse suficiente para ganhar o tempo precioso da equipe sobre o Telescópio Espacial Hubble para estudar enxames globulares da libélula 44. "A coisa que eu acho divertido é que estamos usando o telescópio mais poderoso da humanidade no espaço para acompanhar um grupo de teleobjetivas", disse Abraham. Para entender completamente a relação entre a matéria escura e os aglomerados globulares, no entanto, eles têm de medir os movimentos dos grupos - para o qual eles precisam esperar até que o Telescópio Espacial James Webb seja lançado em 2018.
Para teóricos como Ostriker, isso é uma perspectiva excitante. Se o movimento das estrelas em uma galáxia como Dragonfly 44 pode ser estudado de perto, seria um teste para as teorias de matéria escura atuais, que fazem previsões diferentes sobre a forma como a massa em falta deve ser distribuídos. A principal teoria, chamada matéria escura fria, sugere que a matéria escura deve surgir no centro de uma galáxia. Agora, porém, as galáxias escuras dominadas-pela-matéria que temos de estudar são galáxias anãs próximas, e elas não apresentam essa característica. "Muitas das propriedades que a matéria escura supostamente têm... essas pequenas galáxias não aparecem", disse Ostriker. "Mas nós dizemos: 'Nós realmente não sabemos como essas coisas foram formadas de qualquer maneira," e nós apenas mudamos de assunto. "
O caminho para entender as UDGs ainda não está claro, disse Abraham, mas espero que, pelo menos, algumas das ideias agora propostas vão persistir pelos próximos poucos anos de observações. "Em astronomia, ainda é válido para ser apenas um explorador. No caso de Dragonfly, somos como Leif Eriksson", disse ele. "Você já esteve a bordo do navio durante meses, e de repente alguém disse, 'Terra à vista!!' E não estava no mapa. "
Traduzido e adaptado de Quanta Magazine
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