Filamento de matéria escura em 3D

Usando o telescópio espacial Hubble, astrônomos puderam estudar um filamento gigante de matéria escura em três dimensões pela primeira vez.

© NASA/ESA (enxame de galáxias e filamentos de matéria escura)

Estendendo-se por 60 milhões de anos-luz do centro de um dos aglomerados de galáxias mais massivos conhecidos, o filamento é parte da teia cósmica que constitui em larga escala a estrutura do Universo, e é uma sobra dos primeiros momentos depois do Big Bang. Se a alta massa medida nos filamentos representa o resto do Universo, essas estruturas podem conter mais da metade de toda a massa universal.

A teoria do Big Bang prevê que a variação na densidade da matéria nos primeiros momentos do Universo levou a maior parte da matéria no cosmos a se condensar em uma teia de filamentos emaranhados. Essa visão é apoiada por simulações da evolução cósmica em computador, que sugerem que o Universo é estruturado como uma teia, com longos filamentos que se conectam em locais de aglomerados de galáxias massivas. Estes filamentos, apesar de vastos, são feitos principalmente de matéria escura, o que os torna difíceis de observar.

A primeira identificação convincente de uma seção destes filamentos foi feita no início do ano. Agora, com o estudo em 3D, é possível eliminar muitas das armadilhas que surgem ao estudar a imagem plana de uma estrutura assim. "Filamentos da teia cósmica são extremamente estendidos e difusos, o que faz com que sejam difíceis de detectar", diz Mathilde Jauzac, do Laboratório de Astrofísica de Marselha (LAM), na França, e da Universidade de KwaZulu-Natal, na África do Sul, líder da pesquisa.

A equipe combinou imagens de alta resolução da região ao redor do aglomerado de galáxias MACS J0717.5+3745 (ou MAC J0717), tiradas usando o Hubble, o Subaru, e o telescópio Canadá-França-Havaí, com dados espectroscópicos sobre as galáxias dentro dele a partir dos observatórios WM Keck e Gemini. Analisar essas observações conjuntamente dá uma visão completa da forma dos filamentos e de como se estendem para fora do aglomerado até quase nossa linha de visão.

As teorias da evolução cósmica sugerem que aglomerados de galáxias se formam onde filamentos da teia cósmica se encontram, com os filamentos lentamente afunilando matérias no aglomerado. "Do nosso trabalho anterior na MACS J0717 já sabíamos que este aglomerado está crescendo ativamente e, portanto, seria um alvo privilegiado para um estudo detalhado da rede cósmica", explica Harald Ebeling, da Universidade do Havaí em Manoa, coautor do estudo.

A equipe também contou com técnicas avançadas de lentes gravitacionais. A famosa teoria de Einstein da relatividade geral diz que o caminho da luz é desviado quando passa próximo a objetos com uma grande massa. Filamentos da teia cósmica são, em grande parte, compostos de matéria escura, que não pode ser vista diretamente, mas tem massa o suficiente para desviar a luz e distorcer as imagens das galáxias ao fundo, em um processo chamado de lente gravitacional. A equipe desenvolveu ferramentas para converter as distorções de imagem em um mapa de massa.

As imagens em alta resolução também auxiliaram a equipe. A lente gravitacional é um fenômeno sutil, e estudá-lo implica em ter imagens detalhadas. As observações do Hubble permitiram que a equipe estudasse a deformação precisa nas formas das galáxias com esse fenômeno. Isso, por sua vez, revela onde o filamento de matéria escura escondido está localizado. "O desafio era encontrar um modelo da forma da aglomeração que tivesse todas as características de lente gravitacional que nós observamos", explica Jean-Paul Kneib, do LAM, coautor na pesquisa.

Outro ingrediente na pesquisa foram as medições de distâncias e movimentos. Observar a forma dos filamentos nos aglomerados requerem observações em 3D mais precisas do que as feitas em duas dimensões. Imagens coloridas e velocidades de galáxias medidas com espectrômetros, usando os dados de outros telescópios, permitiram que a equipe localizasse milhares de galáxias dentro do filamento e detectassem movimentos de várias delas.

Um modelo que combinou informações de posição e velocidade para todas estas galáxias foi construído, o que revelou a forma em 3D e a orientação da estrutura filamentar. Isso permitiu que os pesquisadores medissem as propriedades reais dessa estrutura sem as incertezas que vêm ao projetar a imagem em duas dimensões.

Os resultados obtidos empurram os limites das previsões feitas pelos trabalhos teóricos e simulações numéricas da teia cósmica. Com um comprimento de ao menos 60 milhões de anos-luz, o filamento da MACS J0717 é extremo mesmo em escalas astronômicas. E se a massa medida pela equipe pode ser tomada como representativa de filamentos próximos a aglomerados gigantes, então estas ligações difusas entre os nós da rede cósmica podem conter ainda mais massa (na forma de matéria escura) do que os teóricos previram, tanto que mais da metade da massa do Universo pode estar escondida nessas estruturas.

O telescópio especial James Webb, da NASA, ESA e CSA, que deve ser lançado em 2018 pode ser uma ferramenta importante para detectar filamentos na teia cósmica, devido a sua maior sensibilidade.

Os cientistas apresentam o seu trabalho num artigo na Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: Royal Astronomical Society