Uma colisão pode ter deixado essas galáxias sem matéria escura. Isso representa um problema para teorias alternativas da gravidade.
© NASA / ESA (galáxias DF2, DF9 e DF4)
A cerca de 65 milhões de anos-luz da Terra, três galáxias não parecem muito normais. Não são redemoinhos repletos de luz, mas objetos pálidos, fracamente iluminados por um punhado de estrelas.
A matéria escura é a cola invisível que mantém unidas as maiores estruturas do cosmos. Ela atrai a matéria comum e visível, permitindo a formação de estrelas e impedindo que os braços estelares das galáxias se desprendam. Quase todas as galáxias são dominadas pela matéria escura.
Mas essas três galáxias difusas, conhecidas como DF2, DF4 e DF9, deixaram os astrônomos perplexos. Depois de usar um conjunto de telescópios para estimar suas massas, usando os movimentos de suas estrelas como indicador, os pesquisadores descobriram que todas as três têm pouca matéria escura. Em vez disso, uma quantidade ínfima de matéria comum deve ter forjado seu pequeno conjunto de estrelas. Como essas galáxias que desafiam as regras poderiam ter se formado?
Um estudo oferece uma possível solução. Há muito tempo, duas galáxias comuns colidiram. Sua matéria comum, gás e poeira, girou e se aglomerou. Mas a matéria escura passou direto e continuou seu caminho. O acúmulo cósmico deixou para trás três novas galáxias, cada uma desprovida de matéria escura, cada uma lutando para formar uma nova geração de estrelas.
Para muitos especialistas, essa é uma explicação convincente, que crucialmente pode nos revelar algo sobre o mistério da matéria escura. Alguns cientistas sugerem que a matéria escura, que ainda não foi detectada diretamente, pode não existir. Em vez disso, propõem que um ajuste em nossa compreensão da força gravitacional poderia explicar várias características do Universo.
Essas galáxias bizarras refutam essa ideia. O que isso demonstra é que a matéria escura não é apenas uma modificação da gravidade. Se você separar a matéria comum da matéria escura, esperaria que as galáxias sem matéria escura tivessem dificuldade em formar estrelas, e é exatamente isso que DF2, DF4 e DF9 mostram. Isso sugere, como muitos já suspeitavam há algum tempo, que a matéria escura é algo físico. A ausência de matéria escura é, de certa forma, uma evidência de sua existência, o que é irônico.
O que é, exatamente, matéria escura?
Desde que foi formalmente proposta pelo astrônomo Fritz Zwicky na década de 1930, e aprimorada na década de 1970 pela astrônoma Vera Rubin, cosmólogos e astrofísicos têm apresentado seus melhores candidatos. Poderia ser um tipo furtivo de neutrino? Poderiam ser as chamadas partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs? Alguns até opinaram que poderiam ser buracos negros primordiais tão pequenos quanto átomos individuais e tão antigos quanto o próprio Universo. Não sabemos qual candidato a matéria escura é o correto; seja o que for, ainda não foi detectado. Mas há muitas linhas de evidência independentes de que a matéria escura é matéria.
A matéria escura, que compõe 27% do Universo, e 85% de toda a matéria, interage com a gravidade. Se dependesse apenas da atração gravitacional da matéria comum, as estrelas nas bordas de galáxias que giram rapidamente escapariam para o espaço. A matéria comum sozinha teria dificuldade em se aglomerar o suficiente para formar estrelas. A matéria escura também parece distorcer o próprio espaço, curvando a luz ao redor dos objetos em um processo conhecido como lente gravitacional.
Existe alguma maneira de as galáxias evoluírem sem matéria escura desde o início? Nosso conhecimento diz que não. Então, quando DF2 foi descoberta em 2018, deixou os astrônomos sem saber ao certo o que pensar dela. Ela tem aproximadamente o mesmo tamanho da Via Láctea, mas com 200 vezes menos estrelas, é consideravelmente mais tênue.
Os cientistas usaram o Observatório Keck, no Havaí, para rastrear o movimento dessas estrelas e estimar sua massa total. Descobriram que, mesmo sendo uma galáxia com tão poucas estrelas, ela era leve: parecia conter, no máximo, 400 vezes menos matéria escura do que o esperado, tornando a DF2 a primeira galáxia com deficiência de matéria escura já descoberta. Em 2019, eles observaram DF4, outra galáxia com escassez de matéria escura. E em 2026, cientistas anunciaram que uma terceira, DF9, havia entrado para o grupo. Ela contém a massa de aproximadamente 100 milhões de sóis, o que é consistente com a presença apenas de matéria comum. Se também fosse repleta de matéria escura, teria uma massa 100 vezes maior.
O fato de as três galáxias diáfanas existirem alinhadas, como vizinhas, não passou despercebido pelos astrofísicos, que começaram a convergir em torno de uma história de origem. Sabe-se que a matéria escura interage apenas com a força gravitacional; ainda não há evidências convincentes de que ela interaja com outras forças fundamentais, como o eletromagnetismo.
Se duas galáxias típicas colidissem frontalmente, a matéria escura sofreria muito pouco atrito, ou arrasto, e continuaria a se mover rapidamente. Mas a matéria comum, que interage usando todas as quatro forças fundamentais, ficaria toda emaranhada. Uma analogia seria a de dois cavaleiros em uma justa, onde os cavaleiros e suas lanças colidem e podem ser arremessados ao chão, formando um amontoado, enquanto seus cavalos continuam correndo a toda velocidade.
Essas três galáxias lembram muito o Aglomerado da Bala, duas coleções massivas de galáxias a 3,8 bilhões de anos-luz de distância que também colidiram há eras. Essa corrida de destruição, observada recentemente pelo telescópio espacial James Webb, apresenta uma distribuição de massa caótica que só faz sentido se a matéria escura e a matéria comum tiverem sido separadas durante a colisão.
Embora esse tipo de segregação possa ser visto com maior clareza em DF2, DF4 e DF9, nem todos concordam sobre como a separação ocorreu. Kinwah Wu, um astrofísico teórico do University College London, observou que o tripleto não exibe nenhuma das características fluidas e tênues que seria de se esperar após uma colisão galáctica. Ele sugere que, neste caso, DF2, DF4 e DF9 estavam passando por um grande grupo de galáxias massivas. Essa enorme massa então teria despojado o trio de toda a sua matéria escura durante sua fatídica viagem. Stacy McGaugh, astrônomo da Case Western Reserve University e defensor de longa data das teorias da gravidade modificada, é mais cético, dizendo: "Não parece evidente qual seja o mecanismo de formação. Uma colisão antiga é uma história de origem plausível, embora excepcional. Se foi isso que aconteceu, o resto se explica, ou seja, se essas galáxias foram criadas quando sua matéria escura foi roubada, então faz sentido que a matéria escura seja uma substância física. Mas a questão é: foi isso que aconteceu?”
Sem conhecer definitivamente a história de sua origem, McGaugh não acha possível afirmar nada sobre a natureza da matéria escura em si. A maioria dos especialistas, no entanto, não consegue entender como DF2, DF4 e DF9 poderiam existir sem que a matéria escura seja algo físico, mesmo que a origem do trio seja debatida.
Isso torna esse trio galáctico uma má notícia para a MOND, ou dinâmica newtoniana modificada, uma alternativa à matéria escura proposta em 1983 pelo físico Mordehai Milgrom. A MOND questiona: E se existir apenas matéria visível, mas a gravidade dela funcionar de maneira diferente do que pensávamos? A teoria MOND implica que, quando os objetos estão sujeitos a uma atração gravitacional muito fraca, por exemplo, quando duas estrelas estão separadas por distâncias extremas, a força gravitacional não diminui tanto quanto os cientistas pensam. Isso poderia explicar por que galáxias em rotação podem se manter unidas sem a necessidade de uma fonte extra de gravidade proveniente da matéria escura, argumentam seus defensores.
A matéria escura tem sido, por muito tempo, a teoria preferida para os cosmólogos, já que a MOND nunca conseguiu explicar tudo. A MOND sofreu um golpe significativo em 2015, quando o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO), com sede nos EUA, detectou ondas gravitacionais, ondulações no tecido do Universo, pela primeira vez. Os cientistas descobriram que essas ondas se movem à velocidade da luz em todas as direções por enormes distâncias, o que implica que a gravidade atua de forma consistente e inalterada em todo o cosmos.
Os fenômenos DF2, DF4 e DF9 também são explicados de forma mais elegante pela matéria escura do que por tentativas de ajustar a mecânica da gravidade. É mais fácil remover matéria, matéria escura fria, por meio de algo como uma colisão, do que desativar uma lei da natureza. A identidade da matéria escura ainda nos escapa. Mas essas galáxias são, sem dúvida, mais um prego no caixão de sua concorrente cada vez mais impopular.
Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal.
Fonte: Quanta Magazine