Matéria escura: dados do Hubble e do VLT aumentam o mistério

Estudo indica que está faltando um ingrediente físico na compreensão atual da natureza da matéria escura

Aglomerado de galáxias MACSJ 1206, em imagem do Hubble. Incorporadas ao aglomerado estão as imagens distorcidas de galáxias distantes de fundo, vistas como arcos e feições borradas. Essas distorções são causadas pela matéria escura do aglomerado, cuja gravidade se curva e amplia a luz de galáxias distantes, um efeito chamado de lente gravitacional. Esse fenômeno permite que os astrônomos estudem galáxias remotas que de outra forma seriam muito fracas para serem vistas. Sobrepostas à imagem estão concentrações em pequena escala de matéria escura (representadas em azul). Os halos azuis refletem como a matéria escura do aglomerado de galáxias é distribuída. Crédito: Nasa, ESA, G. Caminha (Universidade de Groningen), M. Meneghetti (Observatório de Astrofísica e Ciências Espaciais de Bolonha), P. Natarajan (Universidade Yale), equipe CLASH e M. Kornmesser (ESA/Hubble)

Observações do Telescópio Espacial Hubble, da Nasa/ESA, e do Very Large Telescope (VLT), do Observatório Europeu do Sul (ESO) no Chile, descobriram que algo pode estar faltando nas teorias de como a matéria escura se comporta. Esse ingrediente ausente pode explicar por que os pesquisadores descobriram uma discrepância inesperada entre as observações das concentrações de matéria escura em uma amostra de aglomerados de galáxias massivas e simulações de computador teóricas de como a matéria escura deve ser distribuída em aglomerados. As novas descobertas indicam que algumas concentrações em pequena escala de matéria escura produzem efeitos de lente que são 10 vezes mais fortes do que o esperado.

A matéria escura é a cola invisível que mantém as estrelas, a poeira e o gás juntos em uma galáxia. Essa substância misteriosa compõe a maior parte da massa de uma galáxia e forma a base da estrutura em grande escala do universo. Como a matéria escura não emite, absorve ou reflete luz, sua presença só é conhecida por meio de sua atração gravitacional sobre a matéria visível no espaço. Astrônomos e físicos ainda estão tentando definir o que é.

Os aglomerados de galáxias, as estruturas mais massivas e recentemente estabelecidas no universo, são também os maiores repositórios de matéria escura. Os aglomerados são compostos de galáxias individuais que são mantidas juntas em grande parte pela gravidade da matéria escura.

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Laboratórios ideais

“Os aglomerados de galáxias são laboratórios ideais para estudar se as simulações numéricas do universo atualmente disponíveis reproduzem bem o que podemos inferir das lentes gravitacionais”, disse Massimo Meneghetti, do INAF – Observatório de Astrofísica e Ciência Espacial de Bolonha (Itália), principal autor do estudo publicado na revista “Science”.

“Fizemos muitos testes com os dados deste estudo e temos certeza de que essa incompatibilidade indica que algum ingrediente físico está faltando nas simulações ou em nosso entendimento da natureza da matéria escura”, acrescentou Meneghetti.

“Há uma característica do universo real que simplesmente não estamos capturando em nossos modelos teóricos atuais”, acrescentou Priyamvada Natarajan, da Universidade Yale (EUA), um dos teóricos seniores da equipe. “Isso pode sinalizar uma lacuna em nossa compreensão atual da natureza da matéria escura e suas propriedades, já que esses impecáveis dados nos permitiram sondar a distribuição detalhada da matéria escura nas menores escalas.”

A distribuição da matéria escura em aglomerados é mapeada medindo a curvatura da luz – o efeito de lente gravitacional – que eles produzem. A gravidade da matéria escura concentrada em aglomerados amplia e distorce a luz de objetos de fundo distantes. Esse efeito produz distorções nas formas das galáxias de fundo que aparecem nas imagens dos aglomerados. As lentes gravitacionais também podem frequentemente produzir imagens múltiplas da mesma galáxia distante.

Mapa preciso

Quanto maior a concentração de matéria escura em um aglomerado, mais dramático será seu efeito de distorção da luz. A presença de aglomerados em escala menor de matéria escura associados a aglomerados de galáxias individuais aumenta o nível de distorções. Em certo sentido, o aglomerado de galáxias atua como uma lente de grande escala que possui muitas lentes menores embutidas.

As imagens nítidas do Hubble foram obtidas pela Wide Field Camera 3 e Advanced Camera for Surveys do telescópio. Reunindo-as com material do VLT, a equipe produziu um mapa preciso e de alta fidelidade da matéria escura. Ao medirem as distorções das lentes, os astrônomos puderam rastrear a quantidade e distribuição da matéria escura. Os três aglomerados de galáxias principais, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 e Abell S1063, faziam parte de duas pesquisas do Hubble.

Para surpresa da equipe, as imagens do Hubble não mostraram só arcos dramáticos e características alongadas de galáxias distantes produzidas pelas lentes gravitacionais de cada aglomerado. Elas também revelaram um número inesperado de arcos de menor escala e imagens distorcidas aninhadas perto do núcleo de cada aglomerado, onde está a maioria das galáxias mais massivas. Os pesquisadores acreditam que as lentes aninhadas são produzidas pela gravidade de densas concentrações de matéria dentro de cada aglomerado de galáxias. Observações espectroscópicas subsequentes mediram a velocidade das estrelas orbitando dentro de vários aglomerados de galáxias para determinar suas massas.

Sinergia

“Os dados do Hubble e do VLT forneceram excelente sinergia”, compartilhou o membro da equipe Piero Rosati, da Università degli Studi di Ferrara, na Itália, que liderou a campanha espectroscópica. “Conseguimos associar as galáxias a cada aglomerado e estimar suas distâncias.”

“A velocidade das estrelas nos deu uma estimativa da massa de cada galáxia individual, incluindo a quantidade de matéria escura”, acrescentou o membro da equipe Pietro Bergamini, do INAF – Observatório de Astrofísica e Ciência Espacial em Bolonha (Itália).

Ao combinarem imagens do Hubble e a espectroscopia do VLT, os astrônomos conseguiram identificar dezenas de galáxias de fundo com múltiplas imagens e lentes. Isso permitiu que montassem um mapa bem calibrado e de alta resolução da distribuição de massa da matéria escura em cada aglomerado.

A equipe comparou os mapas de matéria escura com amostras de aglomerados simulados de galáxias com massas semelhantes, localizados aproximadamente nas mesmas distâncias. Os aglomerados no modelo de computador não mostraram nenhum nível de concentração de matéria escura nas escalas menores – as escalas associadas a aglomerados de galáxias individuais.

Comparações detalhadas

“Os resultados dessas análises demonstram ainda mais como as observações e simulações numéricas andam de mãos dadas”, disse a integrante da equipe Elena Rasia, do INAF –Observatório Astronômico de Trieste (Itália).

“Com simulações cosmológicas avançadas, podemos igualar a qualidade das observações analisadas em nosso trabalho, permitindo comparações detalhadas como nunca antes”, acrescentou Stefano Borgani, da Università degli Studi di Trieste (Itália).

Os astrônomos, incluindo os dessa equipe, esperam continuar investigando a matéria escura e seus mistérios para finalmente descobrir sua natureza.

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