Primeiros sinais de matéria escura se interagindo?

Pela primeira vez, a matéria escura pode ter sido observada interagindo consigo mesma de uma maneira que não é através da força da gravidade.

© ESO (aglomerado de galáxias Abell 3827)

Observações de galáxias em colisão obtidas com o Very Large Telescope (VLT) do ESO deram as primeiras pistas intrigantes acerca da natureza desta misteriosa componente do Universo.

Com o auxílio do instrumento MUSE montado no VLT do ESO, no Chile, e de imagens do telescópio espacial Hubble, uma equipe de astrônomos estudou a colisão simultânea de quatro galáxias do aglomerado de galáxias Abell 3827. A equipe pôde traçar onde é que a massa se encontra no sistema e comparar a distribuição de matéria escura com as posições das galáxias luminosas.
Embora a matéria escura não possa ser observada, a equipe pôde deduzir a sua localização usando uma técnica chamada lente gravitacional. A colisão ocorreu, por mero acaso, em frente de uma fonte muito mais distante, sem relação nenhuma com estes objetos. A massa da matéria escura em torno das galáxias em colisão distorceu fortemente o espaço-tempo, fazendo desviar o caminho percorrido pelos raios de luz emitidos pela galáxia distante que se encontra no campo de fundo, e distorcendo por isso a sua imagem em formatos de arcos.
O que sabemos atualmente é que as galáxias existem em meio a aglomerações de matéria escura. Sem o efeito confinante da gravidade da matéria escura, galáxias como a Via Láctea se despedaçariam à medida que giram. Para que isso não aconteça, 85% da massa do Universo deve existir sob a forma de matéria escura, no entanto a sua verdadeira natureza permanece ainda um mistério. Os astrônomos descobriram que o conteúdo total massa/energia do Universo está separado segundo as seguintes proporções: 68% de energia escura, 27% de matéria escura e 5% de matéria dita normal. Por isso, se descartarmos a energia escura, 85% do total de matéria (sendo o total de matéria 27% + 5%) estará relacionado com a fração de matéria dita escura (já que 27/32 ~ 0,85).
Neste estudo, os astrônomos observaram as quatro galáxias em colisão e descobriram que uma das aglomerações de matéria escura parece estar ficando para trás da galáxia que rodeia. A matéria escura encontra-se atualmente a 5.000 anos-luz (50.000 trilhões de quilômetros) atrás da galáxia; a sonda espacial Voyager da NASA levaria 90 milhões de anos para chegar a uma tal distância da Via Láctea.
Um desvio entre a matéria escura e a sua galáxia associada é algo que se prevê que possa acontecer durante colisões se a matéria escura interagir consigo própria, mesmo que de forma sutil, através de forças que não a gravidade. No entanto, nunca se observou anteriormente matéria escura interagindo de outro modo sem ser por ação da força da gravidade. Simulações de computador mostram que o atrito extra da colisão faria com que a matéria escura se movesse mais devagar. A natureza dessa interação é desconhecida; poderia ser causada por efeitos bem conhecidos ou por alguma força exótica desconhecida. Tudo o que podemos dizer nesta fase é que não se trata da gravidade. As quatro galáxias podem ter sido separadas da sua matéria escura. No entanto, temos apenas uma boa medida para uma delas, já que, devido a um alinhamento casual, o objeto está sofrendo o efeito de lente gravitacional. No caso das outras três galáxias, as imagens afetadas pela lente gravitacional estão mais afastadas, e por isso os limites relativos à localização da sua matéria escura são demasiado amplos para que se possam tirar conclusões significativas.
O autor principal do estudo Richard Massey, da Universidade de Durham, explica: “Pensávamos que a matéria escura estava apenas ali, não interagindo de outra forma que não fosse pelo efeito da gravidade. No entanto, se a matéria escura está ficando lentamente atrasada durante esta colisão, isto pode ser a primeira evidência de uma rica física no setor escuro, ou seja, no Universo escondido que nos rodeia”.
Os pesquisadores dizem que precisam investigar outros efeitos que poderiam também dar origem a este atraso. Terão que ser feitas observações semelhantes de outras galáxias e simulações de computador de colisões de galáxias.
Liliya Williams, membro da equipe da Universidade de Minnesota, acrescenta: “Sabemos que a matéria escura existe devido ao modo como interage gravitacionalmente, ajudando a moldar o Universo, mas sabemos ainda muito pouco sobre o que ela realmente é. As nossas observações sugerem que a matéria escura pode interagir através de forças sem ser a gravidade, o que significa que poderemos excluir algumas teorias chave sobre a sua natureza”.
Este resultado dá sequência a um resultado recente desta equipe, que observou 72 colisões de aglomerados de galáxias e descobriu que a matéria escura interage muito pouco consigo própria.

O novo trabalho, no entanto, diz respeito ao movimento das galáxias individuais, em vez de tratar dos aglomerados de galáxias como um todo. Os pesquisadores dizem que a colisão entre estas galáxias poderia ter durado mais tempo do que as colisões observadas no estudo anterior, permitindo que os efeitos de uma força de atrito minúscula crescessem com o tempo, dando origem a um desvio possível de ser medido. A principal incerteza no resultado é a duração da colisão: o atrito que atrasou a matéria escura pode ter sido exercida por uma força muito fraca que atuou durante cerca de um bilhão de anos ou alternativamente por uma força relativamente mais forte que atuou “apenas” durante 100 milhões de anos.
Em conjunto, estes dois resultados limitam o comportamento da matéria escura pela primeira vez. Massey acrescenta: “Estamos finalmente chegando na matéria escura, vindos de cima e de baixo, ou seja, vamos confinando o nosso conhecimento nas duas direções”.

Fonte: ESO

Descoberta pode auxiliar no estudo sobre a matéria escura

Astrônomos usando observações feitas com o telescópio espacial Hubble e com o observatório de raios X Chandra, encontraram que a matéria escura não reduz de velocidade quando colide entre si. Isso significa que ela interage com ela mesmo ainda menos do que se pensava anteriormente.

© Hubble/Chandra (seis aglomerados colidindo)

Os pesquisadores dizem que essa descoberta estreita as opções sobre o que pode ser essa misteriosa substância. A matéria escura é uma forma transparente de matéria que faz parte da maior massa no Universo. Pelo fato da matéria escura não refletir, absorver, ou emitir luz, ela só pode ser traçada indiretamente, medindo como ela distorce o espaço por meio do fenômeno de lente gravitacional, onde a luz de distantes fontes é ampliada e distorcida pelos efeitos gravitacionais da matéria escura.

Os dois observatórios espaciais foram usados para estudar como a matéria escura nos aglomerados de galáxias se comporta quando os aglomerados colidem. O Hubble foi usado para mapear a distribuição das estrelas e da matéria escura após a colisão, que foi traçada através do efeito de lente gravitacional na luz de fundo. O Chandra foi usado para observar a emissão de raios X do gás em colisão.

“A matéria escura é um enigma que nós buscamos a muito tempo revelar”, disse John Grunsfeld, administrador assistente do Science Mission Directorate da NASA em Washington. “Com as capacidades combinadas desses grandes observatórios, ambos em missões estendidas, nós estamos ainda mais perto de entender esse fenômeno cósmico”.

Para aprender mais sobre a matéria escura, os pesquisadores podem estudá-la de maneira similar como fazem com experimentos com a matéria visível, observando o que acontece quando ela atinge objetos celestes. Um excelente laboratório natural para essa análise pode ser encontrado nas colisões entre aglomerados de galáxias.

Os aglomerados de galáxias são feitos de três principais ingredientes: galáxias, nuvens de gás e matéria escura. Durante as colisões, as nuvens de gás que envelopam as galáxias se chocam e param. As galáxias são muito menos afetadas pelo arrasto do gás e, devido aos grandes vazios entre as estrelas, não se tem o efeito de redução de velocidade em cada uma.

“Nós sabemos como o gás e as galáxias reagem a essas colisões cósmicas e onde eles emergem a partir desse choque. Comparando como a matéria escura se comporta pode nos ajudar a estreitar o que ela realmente é”, explica David Harvey da École Polytechnique Fédérale de Lausanne, na Suíça, principal autor do novo estudo.

Harvey e sua equipe usou os dados do Hubble e do Chandra para estudar 72 grandes colisões em aglomerados. As colisões acontecem em tempos diferentes, e são vistas de diferentes ângulos, algumas de lado e outras de frente.

A equipe descobriu que, como as galáxias, a matéria escura continua direto através das violentas colisões sem reduzir a velocidade relativa para as galáxias. Pelo fato das galáxias passarem sem impedimentos, se os astrônomos observarem uma separação entre a distribuição das galáxias e a matéria escura então eles sabem que houve uma diminuição de velocidade. Se a matéria escura reduz a velocidade, ela se arrastará e ficará localizada em algum lugar entre as galáxias e o gás, que pode dizer aos pesquisadores o quanto ela tem interagido.

A teoria vigente é que as partículas da matéria escura se espalham através dos aglomerados de galáxias e frequentemente não se chocam uma com a outra. A razão da matéria escura não reduzir a velocidade é porque não somente ela não interage com as partículas visíveis, mas também ela pouco frequentemente interage com outra matéria escura. A equipe mediu essa interação própria e descobriu que ela ocorre menos frequentemente ainda do que se pensava anteriormente. Os teóricos de física de partículas têm agora um conjunto menor de variáveis desconhecidas para trabalhar quando construírem seus modelos.

“Um estudo prévio tinha visto um comportamento similar no Aglomerado Bullet”, disse Richard Massey, um membro da equipe, da Universidade de Durham, no Reino Unido. “Mas é difícil interpretar o que nós estamos vendo se nós só temos um exemplo. Cada colisão leva centenas de milhões de anos, assim, durante a nossa vida, nós só podemos ver um quadro congelado de um ângulo único de uma câmera. Agora que nós estamos estudando muito mais colisões, nós podemos começar a montar um filme completo e entender melhor o que está acontecendo”.

“Não está claro quanto nós esperamos que a matéria escura interaja com ela mesmo, pois a matéria escura vai contra tudo o que conhecemos”, disse Harvey. “Nós sabemos de observações prévias que ela precisa interagir com ela mesmo de maneira razoavelmente fraca, contudo, esse estudo tem agora colocado essa taxa abaixo até mesmo do grau de interação de dois prótons interagindo um com o outro, o que é uma teoria para a matéria escura”. Harvey disse que os resultados sugerem que a matéria escura é pouco provável de ser somente um tipo de próton escuro. Se a matéria escura espalhar como os prótons fazem um com os outros eletrostaticamente, ela teria sido detectada. Isso desafia a ideia de que existam prótons escuros, o equivalente aos fótons na matéria escura”, disse ele.

A matéria escura poderia potencialmente ter propriedades ricas e complexas, e existem ainda outros tipos de interações para o estudo. Esses últimos resultados descartam as interações que criam uma forte força de atrito, fazendo com que a matéria escura reduza a velocidade durante as colisões. Outras possíveis interações poderiam fazer com que as partículas da matéria escura rebatessem uma nas outras como bolas de sinuca, fazendo com que as partículas da matéria escura fossem ejetadas das nuvens pelas colisões ou para as bolhas de matéria escura para mudar a forma. Para aumentar o número de colisões que podem ser estudadas, a equipe está também buscando estudar colisões envolvendo galáxias individuais, que são muito mais comuns.

“Existem ainda alguns candidatos viáveis para o posto de matéria escura, assim o jogo ainda não acabou, mas nós estamos chegando cada vez mais perto da resposta”, concluiu Harvey. “Esses colisores de partículas astronomicamente grandes estão finalmente deixando com que possamos espiar o mundo escuro ao nosso redor e fora do nosso alcance”.

Os resultados desta pesquisa foram publicados na revista Science.

Fonte: Space Telescope Science Institute

Detectado matéria escura no lado mais distante da Via Láctea

Estas jovens estrelas da imagem abaixo não podem fazer parte da nossa galáxia porque o disco da Via Láctea termina em torno de 48 mil anos-luz; um aglomerado de estrelas jovens e pulsantes descobertas no lado mais distante da Via Láctea pode marcar a localização de uma inédita matéria escura dominada pela galáxia anã escondida atrás de nuvens de poeira.

© Adam Black/NOAO/AURA/NSF (IC 10)

A imagem acima mostra a galáxia IC 10, que é uma galáxia anã irregular localizada a cerca de 1,8 milhões de anos-luz da Terra.

A equipe, liderada por Sukanya Chakrabarti do Rochester Institute of Technology (RIT), analisou os dados em infravermelho próximo recolhidos pelo telescópio VISTA do Observatório Europeu do Sul (ESO) para encontrar quatro jovens estrelas aproximadamente a 300.000 anos-luz de distância. Estas jovens estrelas são variáveis Cefeidas que os astrônomos utilizam para medir distâncias. De acordo com Chakrabarti, estas são as variáveis Cefeidas mais distantes encontrados perto do plano da Via Láctea.

As estrelas parecem estar associados com uma galáxia anã que Chakrabarti previu, em 2009, com base na sua análise das ondulações do disco externo da Via Láctea. Estudo anterior ao do Chakrabarti previu a localização da matéria escura na galáxia anã. A radiação emitida pelas estrelas variáveis Cefeidas lhe permitiu derivar distâncias precisas e testar sua previsão. Chakrabarti analisou a base de dados do VISTA com dezenas de milhões de estrelas para encontrar essas variáveis Cefeidas agrupadas da constelação Norma.

Partículas invisíveis conhecidas como matéria escura compõem 23% da massa do Universo. A misteriosa matéria representa um problema fundamental na astronomia porque não é compreendida.

"A descoberta das variáveis Cefeidas mostra que o nosso método de encontrar a localização da matéria escura dominada por galáxias anãs funciona", disse ela. "Pode ajudar-nos a entender em última análise do que a matéria escura é composta. Ela também mostra que a teoria da gravitação de Newton pode ser usada para os confins de uma galáxia, e que não há necessidade de modificar a nossa teoria da gravidade."

Os olhos infravermelhos do VISTA permitirá aos astrônomos estudar regiões inexploradas perto do plano galáctico que são inacessíveis para pesquisas ópticas. Comprimentos de onda ópticos pode não penetrar na poeira e no gás nessas regiões. A próxima geração de exploração do céu ajudará os astrônomos a olhar para a estrutura da galáxia e estrelas distantes em baixas latitudes. Levantamentos no infravermelho pode ajudará a resolver as discrepâncias existentes entre observações e o paradigma cosmológico atual, fornecendo uma visão mais completa da estrutura da Via Láctea.

Um documento anunciando a descoberta aparece na revista Astrophysical Journal Letters.

Fonte: Rochester Institute of Technology

Crescem evidências de matéria escura no núcleo da Via Láctea

Até agora, nem mesmo as melhores tentativas de encontrar a matéria escura tiveram êxito. Astrônomos sabem que essa espécie invisível domina nosso Universo e exerce arrasto gravitacional sobre a matéria comum, mas não sabem do que ela é feita.

© Universidade de Chicago/T. Linden (mapa do centro da Via Láctea com excesso de raios gama)

Esse mapa do centro da Via Láctea mostra um grande excesso de raios gama (o vermelho indica a maior quantidade) que não pode ser explicado por fontes convencionais.

Desde 2009, porém, raios de luz gama radiando do núcleo da Via Láctea, onde se acredita que a matéria escura seja especialmente densa, intrigam pesquisadores.
Alguns imaginam que esses raios podem ter sido emitidos durante explosões provocadas por partículas de matéria escura em colisão. Agora, um novo sinal de raios gama oferece mais evidências de que isso pode ser verdade, em conjunto com os que já foram detectados.
Uma possível explicação para a matéria escura é que ela seja composta pelas teóricas partículas WIMP, ou “partículas massivas de interação fraca”.
Acredita-se que cada WIMP seja tanto matéria quanto antimatéria; assim, quando duas delas se encontrassem, deveriam se aniquilar mutuamente, como acontece com a matéria e a antimatéria. Essas explosões criariam luzes de raios gama, vistas em grande quantidade no centro de nossa galáxia em dados do telescópio espacial de raios gama Fermi. As explosões também poderiam criar partículas de raios cósmicos, que são elétrons e pósitrons de alta energia que por sua vez sairiam do núcleo da Via Láctea em alta velocidade e às vezes colidiriam com partículas de luz estelar, o que lhes daria energia extra e as colocaria na faixa dos raios gama.
Pela primeira vez, cientistas detectaram luzes que se adequam às previsões para esse segundo processo, chamado de espalhamento Compton inverso, que deveria produzir raios gama mais distantes pelo espaço e entrar em um grupo diferente de energias do que os que foram liberados diretamente pela aniquilação da matéria escura.
“Esse trabalho deixa bem claro que um componente Compton inverso adicional de raios gama está presente”, declara Dan Hooper, astrofísico do Laboratório do Acelerador Nacional Fermi, que não se envolveu no estudo, mas que foi o primeiro a apontar que um sinal de matéria escura poderia estar presente nos dados do telescópio Fermi. Um componente desses viria da mesma matéria escura que produz o sinal primário de raios gama.
Cientistas da Universidade da Califórnia, Anna Kwa e Kevork Abazajian apresentaram o novo estudo em 23 de outubro no Quinto Simpósio Internacional Fermi em Nagoya, no Japão.

Mas nenhuma dessas intrigantes luzes de raios gama significa que foi encontrada matéria escura. Outros processos astrofísicos, como estrelas giratórias chamadas de pulsares, podem criar esses dois tipos de sinal. Há muito tempo a equipe oficial do telescópio Fermi evita tirar conclusões sobre a matéria escura com base em seus dados. Mas no simpósio da semana passada, o grupo apresentou sua própria análise da misteriosa luz de raios gama e concluiu que, apesar de múltiplas hipóteses se adequarem aos dados, a matéria escura se encaixa melhor. Simona Murgia, astrofísica da Universidade da Califórnia, e membro da equipe que analisou o centro galáctico, apresentou as descobertas do grupo.
Ela declara que a complexidade do centro galáctico torna difícil saber com certeza como o excesso de raios gama surgiu, e se a luz poderia vir de fontes mundanas “de fundo”. No entanto, a detecção de excessos estendidos nessa região do céu é complicada por nossa compreensão incompleta do fundo.
A interpretação da matéria escura seria mais provável se astrônomos conseguissem encontrar evidências semelhantes da aniquilação de WIMPs em outras galáxias, como as cerca de 24 galáxias-anãs que orbitam a Via Láctea. Os experimentos de detecção direta na Terra pretendem capturar WIMPS nas ocasiões extremamente raras em que elas atingem átomos de matéria comum. Até agora, porém, nenhum desses experimentos encontrou qualquer evidência de matéria escura. Em vez disso, eles reduziram gradualmente o número de tipos possíveis de WIMPS que poderiam existir.  
Outros experimentos orbitais, como o Espectrômetro Alfa Magnético (AMS) na Estação Espacial Internacional (ISS), que detecta raios cósmicos, também não conseguiram encontrar provas convincentes de matéria escura.
De fato, os resultados do AMS parecem conflitar com as explicações mais básicas que conectam a matéria escura às observações do Fermi. Novas evidências são necessárias para corroborarem tal interpretação.

Um artigo sobre a pesquisa foi enviado para o periódico Physical Review Letters.

Fonte: Scientific American

Mapeando a matéria escura a 4,5 bilhões anos-luz de distância

Com o telescópio espacial Hubble da NASA/ESA, uma equipe internacional de astrônomos mapeou, com uma precisão sem precedentes, a massa dentro de um aglomerado de galáxias.

© Hubble/Chandra (mapa da massa do aglomerado de galáxias MCS J0416.1-2403)

A imagem mostra o aglomerado galáctico MCS J0416.1–2403, sendo em azul o mapa de massa criado usando novas observações do Hubble combinadas com o poder de ampliação de um processo conhecido como lente gravitacional. Em vermelho, está o gás quente detectado pelo observatório de raios X Chandra da NASA e mostra a localização do gás no aglomerado. A matéria vista em azul está separada das áreas vermelhas detectadas pelo Chandra e consiste do que é conhecido como matéria escura, que pode apenas ser detectada através do efeito de lente gravitacional.

Criado usando observações do programa Frontier Fields do Hubble, o mapa mostra a quantidade e distribuição de massa dentro do MCS J0416.1-2403, um enorme aglomerado de galáxias com cerca de 160 biliões de vezes a massa do Sol.

O detalhe neste mapa da massa foi possível graças à profundidade sem precedentes dos dados recolhidos pelo Hubble e a ao fenômeno cósmico da lente gravitacional forte.

A medição da quantidade e distribuição da massa dentro de objetos distantes no Universo pode ser muito difícil. Um truque usado regularmente pelos astrônomos é explorar os conteúdos de grandes aglomerados de galáxias estudando os efeitos gravitacionais que têm sobre a luz de objetos ainda mais distantes. Este é um dos objetivos principais do Frontier Fields do Hubble, um ambicioso programa de observação que analisa seis aglomerados galácticos diferentes, incluindo o MCS J0416.1-2403.

Cerca de 75% de toda a matéria no Universo é a chamada "matéria escura", que não pode ser vista diretamente, uma vez que não emite nem reflete luz e pode passar por outra matéria sem colisões. Ela interage apenas pela força da gravidade e a sua presença tem que ser deduzida a partir dos seus efeitos gravitacionais.

© Hubble (lente gravitacional no aglomerado de galáxias MCS J0416.1-2403)

Esta imagem do telescópio espacial Hubble mostra o aglomerado galáctico MCS J0416.1-2403, onde estão em vermelho as galáxias atingidas pelo efeito de lente gravitacional usadas no estudo.

Um destes efeitos foi previsto pela teoria geral da relatividade de Einstein e observa grandes aglomerados de massa no Universo que curvam e distorcem o espaço-tempo em seu redor. Agindo como lentes, parecem ampliar e dobrar a luz que viaja através deles a partir de objetos mais distantes. Esta é uma das poucas técnicas que podem ser usadas para estudar a matéria escura.

Apesar das suas grandes massas, o efeito dos aglomerados galácticos nos seus arredores é geralmente mínimo. Na maioria, provocam o que se chama de lente fraca, fazendo com que fontes mais distantes pareçam apenas ligeiramente mais elípticas ou manchadas no céu. No entanto, quando o aglomerado é suficientemente grande e denso e o alinhamento entre o aglomerado e o objeto distante é ideal, os efeitos podem ser mais dramáticos. As imagens das galáxias normais podem ser transformadas em anéis e grandes arcos de luz, aparecendo até várias vezes na mesma imagem. Este efeito é conhecido como lente gravitacional forte e é este fenômeno, visto em torno dos seis aglomerados galácticos do programa Frontier Fields, que tem sido usado para mapear a distribuição de massa do MCS J0416.1-2403, utilizando os novos dados do Hubble.

A equipe desta pesquisa é liderada pela Dra. Mathilde Jauzac da Universidade de Durham no Reino Unido e pela Unidade de Pesquisa em Astrofísica e Cosmologia da África do Sul.

"A profundidade dos dados permite-nos ver objetos muito tênues e identificar, mais do que nunca, galáxias fortemente atingidas pelo fenômeno de lente gravitacional," explica a Dra. Jauzac, autora principal do novo artigo.

"Apesar das lentes fortes ampliarem as galáxias de fundo, elas estão ainda muito distantes e são muito fracas. A profundidade destes dados significa que podemos identificar galáxias de fundo incrivelmente distantes. Conhecemos agora mais de quatro vezes mais exemplos de galáxias fortemente atingidas pelo fenômeno de lente gravitacional no aglomerado."

Utilizando o instrumento ACS (Advanced Camera for Surveys) do Hubble, os astrônomos identificaram 51 novas galáxias multiplicadas em todo o aglomerado, quadruplicando o número determinado em estudos anteriores e elevando o número de galáxias atingidas pelo fenômeno de lente gravitacional até 68. Tendo em conta que estas galáxias são vistas várias vezes, isto equivale a quase 200 imagens individuais fortemente atingidas por lentes gravitacionais. Este efeito permitiu a Jauzac e à sua equipe calcularem a distribuição de matéria visível e escura no aglomerado e a produzirem um mapa da sua massa.

"Há mais de vinte anos que sabemos como construir um mapa de um aglomerado usando lentes gravitacionais, mas precisamos de tempo para possuirmos telescópios que possam fazer observações suficientemente profundas e nítidas, e para os nossos modelos se tornarem suficientemente sofisticados para mapearmos, com tantos detalhes, um sistema tão complicado como o MCS J0416.1-2403," comenta Jean-Paul Kneib, membro da equipe.

Ao estudar 57 das galáxias mais confiáveis e claramente distorcidas foi possível modelar a massa da matéria normal e escura dentro do MCS J0416.1-2403. "O nosso mapa tem o dobro da qualidade dos modelos anteriores deste aglomerado!" acrescenta Jauzac.

Determinou-se que a massa total do aglomerado MCS J0416.1-2403, com um diâmetro modelado de mais de 650.000 anos-luz, equivale a 160 biliões de vezes a massa do Sol. Com uma incerteza de 0,5%, esta medição é a mais precisa alguma vez produzida para um aglomerado galáctico. Ao identificar precisamente onde a massa reside dentro de grupos como este também possibilita medir a curvatura do espaço-tempo com grande precisão.

As observações e técnicas de lentes gravitacionais do Frontier Fields abriram uma maneira de caracterizar estes objetos com muita precisão; neste caso, um aglomerado tão distante que a sua luz levou 4,5 bilhões de anos até chegar aqui," acrescenta Jean-Paul Kneib.

Porém, para obter uma imagem completa da massa é necessário também incluir medições de lentes fracas. Embora apenas forneça uma estimativa aproximada da massa do núcleo interior do aglomerado, as lentes fracas fornece informações valiosas acerca da massa que rodeia o núcleo do aglomerado.

A equipe vai continuar estudando o aglomerado com imagens extremamente profundas do Hubble e informações detalhadas de lentes fortes e fracas, com o objetivo de mapear as regiões exteriores do aglomerado bem como do seu núcleo interior, e assim será capaz de detectar subestruturas nos seus arredores. Vão também usar medições em raios X de gás quente pelo Chandra e redshifts espectroscópicos feitos a partir de observatórios terrestres para mapear o conteúdo do aglomerado, avaliando a respectiva contribuição da matéria escura, do gás e das estrelas.

A combinação destas fontes de dados vai aumentar ainda mais os detalhes deste mapa de distribuição de massa, mostrando-o em 3D e incluindo as velocidades relativas das suas galáxias. Isto abre o caminho para a compreensão da história e evolução deste aglomerado galáctico.

Os resultados do estudo foram publicados no Monthly Notices da Royal Astronomical Society.

Fonte: ESA

Sinal de raios X aponta para matéria escura

Astrônomos utilizando observatórios de alta energia da ESA e da NASA descobriram uma pista espetacular que aponta para um ingrediente indescritível do nosso Universo: a matéria escura.

© Chandra/XMM-Newton (aglomerado de Perseu)

Embora se pense ser invisível, nem emitindo nem absorvendo luz, a matéria escura pode ser detectada por meio da sua influência gravitacional sobre os movimentos e aparência de outros objetos no Universo, como estrelas ou galáxias.

Com base nesta evidência indireta, os astrônomos acreditam que a matéria escura é o tipo dominante de matéria no Universo, mesmo assim, permanece obscura.

Agora, uma dica pode ter sido descoberta ao estudar aglomerados de galáxias, os maiores aglomerados cósmicos de matéria, unidos pela gravidade.

Os aglomerados de galáxias contêm não somente centenas de galáxias, mas também uma grande quantidade de gás quente que preenche o espaço entre elas.

No entanto, a medição da influência gravitacional destes agregados mostra que as galáxias e o gás constituem cerca de 1/5 da massa total, pensa-se que o resto seja matéria escura.

O gás é principalmente hidrogênio e, a mais de 10 milhões de graus Celsius, é quente o suficiente para emitir raios X. Traços de outros elementos contribuem com linhas adicionais na mesma proporção e em comprimentos de onda específicos.

Ao examinar observações, pelo XMM-Newton da ESA e pelo Chandra da NASA, destas linhas características em 73 aglomerados de galáxias, os astrônomos notaram numa linha intrigante e tênue num comprimento de onda onde nada tinha sido visto antes. A linha de emissão em raios X apresentou um aumento de intensidade de cerca de 3,56 keV.

"Se este sinal estranho tivesse sido provocado por um elemento conhecido presente no gás, deveria ter deixado outros sinais na radiação em raios X em outros comprimentos de onda conhecidos, mas nenhum deles foi descoberto," afirma a Dra. Esra Bulbul do Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica em Cambridge, no estado americano do Massachusetts, autora principal do artigo que discute os resultados.

Os astrônomos sugerem que a emissão pode ser criada pelo decaimento de um tipo exótico de partícula subatômica conhecida como "neutrino estéril", que está prevista mas que ainda não foi detectada.

Os neutrinos comuns são partículas com muito pouca massa que interagem apenas raramente com a matéria através da chamada força nuclear fraca, bem como por meio da gravidade. Pensa-se que os neutrinos estéreis interagem com a matéria comum apenas através da gravidade, tornando-os num possível candidato à matéria escura.

"Se a interpretação das nossas observações estiver correta, os neutrinos estéreis podem constituir pelo menos parte da matéria escura nos aglomerados de galáxias ", afirma a Dra. Bulbul.

Os aglomerados de galáxias estudados situam-se numa variedade de distâncias, desde mais de uma centena de milhões de anos-luz até alguns bilhões de anos-luz. O sinal fraco e misterioso foi descoberto ao combinar observações múltiplas dos aglomerados, bem como uma imagem individual do aglomerado de Perseu, uma estrutura gigantesca na nossa vizinhança cósmica.

Esta descoberta pode ter bastantes implicações, mas os cientistas estão sendo cautelosos. São necessárias mais observações de aglomerados de galáxias com o XMM-Newton, com o Chandra e com outros telescópios de alta energia, antes que a ligação com a matéria escura possa ser confirmada.

"A descoberta destes raios X curiosos foi possível graças ao grande arquivo do XMM-Newton, e à capacidade do observatório em recolher grandes quantidades de raios X em diferentes comprimentos de onda, levando a esta linha anteriormente desconhecida," comenta Norbert Schartel, cientista do projeto XMM-Newton da ESA.

Fonte: CfA e ESA

Detectado possível sinal de matéria escura

Uma equipe astrofísicos do Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), do the Massachusetts Institute of Technology (MIT) e da Universidade de Chicago, utilizaram dados recolhidos pelo observatório espacial Fermi para mapear as emissões de raios gama provenientes da região do núcleo da Via Láctea.

© U. Chicago/T. Linden (execesso de raios gama no centro galáctico)

A imagem à esquerda é um mapa de raios gama com energias entre 1 e 3,16 GeV detectados no centro da galáxia pelo Large Area Telescope (LAT) do Observatório Fermi; vermelho indica o maior número. Pulsares proeminentes são rotulados. A imagem à direita mostra a remoçao de todas as fontes de raios gama conhecidas revelando o excesso de emissões que podem surgir a partir da aniquilação de matéria escura.

Os novos mapas, os mais precisos obtidos até agora, mostram que essa região da galáxia emite mais radiação gama do que é possível explicar através das contribuições individuais de fontes conhecidas como por exemplo pulsares, sistemas binários de alta energia e colisões de raios cósmicos no gás interestelar.

Este excesso de emissão não é de todo inesperado, podendo ser uma manifestação sutil da matéria escura que, de acordo com os mais recentes resultados do Observatório Planck, constitui cerca de 84,5% da matéria total do Universo, os restantes 15,5% constituem a matéria normal, a face visível do Universo, enquanto a energia escura mais matéria escura constitui 95,1% do conteúdo total do Universo. Com base no modelo padrão da cosmologia, a massa e energia total do Universo conhecido contém 4,9% de matéria comum, 26,8% de matéria escura e 68,3% de energia escura.

A existência da matéria escura foi estabelecida de forma robusta ao longo de décadas e sabe-se hoje que as galáxias estão envolvidas por um halo gigante constituído por matéria escura. Os seus efeitos gravitacionais são evidentes nos movimentos das estrelas nas galáxias e das galáxias dentro dos aglomerados.

A matéria escura interage com a matéria normal através da força nuclear fraca (de curto alcance e responsável, por exemplo, pela radioatividade) e da força da gravidade, o que dificulta a realização de experiências com o intuito de determinar a sua natureza. De fato, até o momento ainda não foi possível identificar os seus constituintes. De acordo com algumas teorias, a matéria escura é constituída por partículas designadas de WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), que têm a particularidade de, em caso de colisão, se aniquilarem, produzindo raios gama potencialmente detectáveis pelo telescópio LAT.

O centro da Via Láctea contém a maior concentração de massa da galáxia e por isso, devido à forte influência gravitacional, deverá conter também a maior concentração de matéria escura no halo que a envolve. Isto implica que nessa região a probabilidade de colisão entre WIMPs, caso existam, seja mais elevada. Os cientistas, baseados neste pressuposto, estudaram em pormenor a emissão proveniente dessa região e eliminaram sistematicamente as fontes de radiação gama que podiam ser identificadas. No final, o mapa que obtiveram mostra ainda um claro excesso de radiação gama com energias entre 1 e 3,16 GeV (Giga elétron-Volt) que se estende até pelo menos 5 mil anos-luz do centro da galáxia. Nas palavras de Dan Hooper, um astrofísico do Fermilab, e um dos autores do estudo: “O sinal que identificamos não pode ser explicado pelas teorias alternativas existentes e coincide de forma precisa com as previsões de modelos muito simples para a matéria escura”. Baseado na distribuição espectral da radiação gama observada, na simetria da sua distribuição e na luminosidade total, os autores deduzem que as partículas originais de matéria escura deveriam ter uma massa entre os 31 e os 40 GeV. Tais partículas seriam facilmente produzidas pelo LHC mas a sua detecção seria quase impossível.

Este estudo não demonstra que a matéria escura é constituída por partículas com as características dos WIMPs, apenas que existe um excesso de radiação gama no centro da Via Láctea que pode ser explicado de forma convincente pela existência destas partículas.

Um artigo com estes resultados foi publicado na revista Physical Review D.

Fonte: Goddard Space Flight Center

Partículas de matéria escura podem ter gerado raios X

Os raios X de um comprimento de onda específico emanados dos núcleos de galáxias próximas e de aglomerados de galáxias poderiam ser sinais de partículas de matéria escura decaindo no espaço, reportaram duas equipes independentes.

© NASA/CXC/SAO/Chandra (fração de raios X emanados da área central da galáxia de Andrômeda)

Se essa interpretação estiver correta, então a matéria escura poderia consistir de estranhas partículas chamadas de neutrinos estéreis que pesam cerca de 1/100 de um elétron. Contudo, alguns pesquisadores são cépticos.

Por décadas, os astrônomos e os astrofísicos pensaram que alguma parte da misteriosa matéria escura precisava fornecer a gravidade necessária para manter galáxias individuais se afastando. De fato, o atual modelo padrão da cosmologia indica que uma galáxia típica se forma dentro de um vasto aglomerado, ou halo de matéria escura, cuja a gravidade mantém as estrelas juntas, impedindo que elas saiam vagando pelo espaço. Contudo, os cientistas não sabem o que é matéria escura, já que elas nunca foram detectadas por outro modo, a não ser pelo seu efeito na gravidade.

Agora, duas equipes reportaram os possíveis sinais das partículas da matéria escura revelando-a de outra maneira, ou seja, por um decaimento muito lendo dos prótons normais. Ambos os grupos basearam seus estudos em dados obtidos por um dos observatórios espaciais de maior sucesso, o X-ray Multi-Mirror Misson, ou XMM-Newton, da ESA, que foi lançado em Dezembro de 1999 e ainda adquiri dados importantes para o progresso da astronomia. Esra Bulbul, uma astrofísica no Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics em Cambridge, Massachusetts, e seus colegas descobriram raios X de uma energia muito específica, de 3,5 keV (quiloelétron volts), brilhando de 73 aglomerados de galáxias, incluindo o Aglomerado Perseus. O grupo de Harvard, também utilizou os dados do observatório de raios X Chandra da NASA, lançado em Julho de 1999.

O estudo está num artigo submetido para o The Astrophysical Journal.

Fonte: Science

Matéria escura gera raios gama no centro galáctico?

O que está criando os raios gama no centro da nossa galáxia?

© Fermi Space Telescope (emissão de raios gama do centro galáctico)

Uma das respostas é que seja a elusiva matéria escura. Nos últimos anos o telescópio espacial Fermi da NASA tem imageado o centro da nossa galáxia em raios gama. Análises repetidas e detalhadas indicam que a região ao redor do centro galáctico parece ser muito brilhante para ser gerada somente pelas fontes de raios gama conhecidas. Uma imagem bruta da região do Centro Galáctico em raios gama é mostrada acima na esquerda, enquanto que a imagem da direita tem todas as fontes conhecidas subtraídas, deixando um excesso inesperado. Um modelo hipotético que parece se ajustar ao excesso envolve um tipo de matéria escura conhecida como WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), que pode estar colidindo com ela própria para criar os raios gama detectados. Essa hipótese é controversa, e os debates e investigações mais detalhadas estão a caminho. Encontrar a natureza da matéria escura é uma das grandes questões da ciência moderna, como previamente esse tipo incomum de matéria cosmologicamente pervasiva tem se mostrado somente através da gravitação.

Fonte: NASA

Matéria escura nas proximidades da Terra

Bilhões de partículas da invisível matéria escura provavelmente estão atravessando seu corpo neste exato momento, passando pelo o espaço entre seus átomos sem deixar um único rastro.

© NASA/CXC/CfA/STScI/ESO (aglomerado de galáxias 1E 0657-556)

A imagem mostra o aglomerado de galáxias 1E 0657-556 que provavelvemente contém matéria escura além da matéria bariônica (comum).

De acordo com a concepção convencional, essas partículas seriam menos frequentes durante o inverno boreal e deveriam atingir seu pico por volta de 1º de junho. Mas um novo estudo sugere que esse cálculo está muito errado; o verdadeiro pico ocorre no começo do mês de março.

Acredita-se que a matéria escura constitua quase 27% da massa e energia totais do Universo, mas sua natureza é um mistério. Uma das melhores ideias da física é que essa matéria seja composta por partículas teóricas chamadas de WIMPs (partículas massivas de interação fraca, em inglês), mas até agora as WIMPs não foram detectadas. Seja o que for a matéria escura, ela parece se aglomerar em grandes nuvens chamadas de halos que abarcam galáxias, incluindo nossa própria Via Láctea. Conforme o Sistema Solar faz sua progressão regular pela Via Láctea, ele passa por esse halo, fazendo com que matéria escura bombardeie o Sol e os planetas com um vento estável. A Terra, no entanto, também gira ao redor do Sol. Astrofísicos supunham que quando nosso planeta se movia na direção contrária à do vento de matéria escura (o que ocorre durante o verão boreal), nós deveríamos ver um aumento percentual no número de partículas de matéria escura, e uma redução correspondente quando a Terra viaja com a maré durante o inverno boreal.

Mas essas ideias já aceitas podem estar erradas. O novo estudo sugere que o padrão seria fortemente afetado pelos efeitos gravitacionais do Sol, que até então não eram levados em consideração. “Conforme WIMPs passam pelo Sistema Solar, o arrasto gravitacional do sol altera suas trajetórias individuais, mudando sua direção e velocidade”, explica Samuel Lee da Princeton University, um dos autores do novo artigo, que foi publicado em 3 de janeiro no periódico Physical Review Letters. “Para nossa surpresa, descobrimos que os efeitos podem ser bem drásticos”. Esse arrasto gravitacional também poderia fazer com que a densidade de partículas de matéria escura variem percentualmente, e deveriam modificar o pico sazonal em aproximadamente três meses. “É importante considerar os dois efeitos”, observa Lee.

O arrasto do Sol sobre a matéria escura é chamado de gravitational focusing, porque o Sol age como uma lente para focalizar as rotas das WIMPs em sua direção. O fenômeno depende da energia e velocidade dessas partículas: WIMPs rápidas seriam menos afetadas porque passariam pelo Sistema Solar em velocidades muito altas para sofrer os efeitos do arrasto do Sol, que poderia alterar a rota de WIMPs menos energéticas, que se movessem mais lentamente. “O resultado geral é que a data do sinal máximo se afasta da data canônica de 1º de junho e vai para 1º de março”, explica Lee.

Os efeitos sazonais sobre a matéria escura podem impactar experimentos que pretendam detectar partículas de matéria escura diretamente. Esses experimentos são projetados para capturar as intangíveis WIMPs na rara ocasião de colidirem com partículas de matéria comum. Uma maneira de diferenciar WIMPs reais de partículas comuns é encontrar mais delas em um momento do ano que em outro. Levar a focalização gravitacional em conta poderia ser crucial para identificar um sinal de matéria escura de verdade, apenas WIMPs reais teriam um pico em março todos os anos. “Existem muitos experimentos e muitas situações relevantes em que esse efeito poderia ser muito importante”, declara o físico teórico Peter Graham da Stanford University, que não se envolveu no estudo. “Eu acho que esse é um trabalho excelente que aumenta nossa compreensão do sinal da matéria escura em um experimento de detecção direta”.

Vários projetos estão se aproximando das WIMPs e de outras partículas candidatas à matéria escura e devem ser capazes de encontrá-las, ou descartá-las, dentro de uma década ou menos. Um experimento controverso, o DAMA/Libra (Large sodium Iodide Bulk for RAre processes) no Laboratório Nacional Gran Sasso do Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN), na Itália, alegou em 2008 ter detectado WIMPs e tê-las observado em maior número em março que em outras épocas do ano. Muitos físicos duvidaram da descoberta, especialmente porque seus resultados conflitaram com as descobertas nulas de outros detectores. Lee e seus colaboradores apontam que os resultados do DAMA/Libra de fato concordam com sua previsão de que o pico de matéria escura deveria se deslocar de junho para março. “Usar o ângulo de focalização gravitacional como segunda verificação nos ajudará a saber se esses eventos vêm da matéria escura. E experimentos futuros com certeza serão capazes de fazer uso desse efeito como segunda verificação”.

A natureza da matéria escura tem eludido os cientistas por décadas, mas poderia existir um reservatório dela bem na nossa vizinhança?

Se as estranhas medidas feitas pelos satélites do Sistema de Posicionamento Global (GPS) provarem ser causadas por um halo da matérica não bariônica ao redor do nosso planeta. Durante uma apresentação no congresso da União Geofísica Americana (AGU) em San Francisco em Dezembro de 2013, o especialista em GPS, Ben Harris (da Universidade do Texas em Arlington) descreveu algumas medidas da massa da Terra feitas usando uma frota de satélites GPS que estão em órbita ao redor do nosso planeta.

Ele notou uma discrepância de massa quando comparou os resultados com as medidas oficiais de massa usadas pela União Astronômica Internacional (IAU). O conhecimento orbital dos satélites ajudou Harris a calcular a estatística vital da Terra com alto grau de precisão. Depois de analisar 9 meses de dados do GLONASS, do GPS e do Galileo, ele encontrou um valor de massa da Terra que é 0,005 e 0,008 por cento maior do que as medidas anunciadas pela IAU. O que isso significa? Bem, isso poderia indicar um erro não forçado na coleta de dados para as análises, mas existe outra possibilidade intrigante.

Essa discrepância na massa da Terra poderia ser influência de um halo, ou anel, de matéria escura existente ao redor do nosso planeta. Harris explica suas medidas, dizendo que o halo planetário de matéria escura invisível precisaria estar localizado na região equatorial da Terra e teria uma espessura de 191 quilômetros, e uma largura de 70.000 quilômetros. Como observado por Anil Ananthaswamy da New Scientist, Harris ainda levaria em conta os efeitos das interações gravitacionais e relativísticas com o Sol e com a Lua.

Essa pesquisa destaca o vazio de conhecimento que existe sobre a matéria escura. Acredita-se que 85% do Universo seja composto por essa matéria não bariônica, mas nós ainda não a observamos diretamente, somente criada em imensos aceleradores de partículas como o LHC. Nós sabemos que ela está ali, contudo, permeando os aglomerados de galáxias e dobrando o espaço-tempo. Através de indicações indiretas, como as lentes gravitacionais e os movimentos orbitais, nós podemos detectar a coisa e essas medidas recentes de GPS fornecem outro significado tentador do entendimento do efeito sútil de massa numa potencial junção Terra com a matéria escura.

De maneira interessante, a presença hipotética da matéria escura poderia ter outro efeito sutil na nossa vizinhança planetária. Durante os sobrevvos das sondas pela Terra, anomalias minúsculas na velocidade das sondas foram detectadas. Por exemplo, a sonda NEAR (Near-Earth Asteroid Rendezvous) da NASA usou o nosso planeta para uma assitência na velocidade gravitacional em 1998. Durante o sobrevoo, em adição à velocidade extra fornecida pelo sobrevoo, aconteceu um acréscimo misterioso de 13 milímetros por segundo. Esse pequeno valor, tem sido registrado em outros sobrevoos de outras sondas, e é conhecido como anomalia de sobrevoo e é um dos fatores que contribuem para reforçar a evidência de que a gravidade exercida nas sondas é exercida por um halo invisível de matéria escura.

O sobrevoo mais recente, contudo, da sonda com destino a Júpiter da NASA, a Juno, ocorrido em Novembro de 2013, não revelou nenhuma anomalia de velocidade, só aumentando o mistério sobre a natureza das anomalias de sobrevoo.

A saga para elucidar a existência da matéria escura continua.

Fonte: Discovery e Scientific American