Estranha galáxia escura está quebrando a cabeça dos astrofísicos

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