A fraca luz das estrelas revela a distribuição da matéria escura

Astrônomos usando dados do telescópio espacial Hubble empregaram um método revolucionário para detectar a matéria escura em aglomerados de galáxias.

© Hubble/M. Montes (luz intra-aglomerado em Abell S1063)

O método permite destacar a distribuição da matéria escura com mais precisão do que qualquer outro método usado até hoje e que possa ser usado para explorar a natureza da matéria escura.

Nas últimas décadas, os astrônomos tentaram entender a verdadeira natureza da substância misteriosa que compõe a maior parte da matéria e mapear sua distribuição no Universo. A matéria escura representa cerca de 85% da matéria no Universo e cerca de um quarto da sua densidade total de energia. A matéria escura não emite nenhum tipo de radiação eletromagnética, sua presença só pode ser determinada via efeitos gravitacionais.

Agora, dois astrônomos da Austrália e da Espanha utilizaram dados do programa Frontier Fields do telescópio espacial Hubble para estudar com precisão a distribuição da matéria escura.

Os pesquisadores descobriram que a luz muito fraca em aglomerados de galáxias, a luz intra-aglomerado, mapeia como a matéria escura é distribuída.

A luz intra-aglomerado é um subproduto das interações entre as galáxias. No decorrer destas interações, as estrelas individuais são removidas de suas galáxias e flutuam livremente dentro do aglomerado. Uma vez livres de suas galáxias, elas se alojam onde a maioria da massa do aglomerado reside, principalmente matéria escura.

Tanto a matéria escura como estas estrelas isoladas atuam como componentes sem colisão, seguindo o potencial gravitacional do próprio aglomerado. O estudo mostrou que a luz intra-aglomerado está alinhada com a matéria escura, traçando sua distribuição com mais precisão do que qualquer outro método baseado em traçadores luminosos usados ​​até agora.

Este método também é mais eficiente do que o método mais complexo de usar lentes gravitacionais. Enquanto o segundo exige tanto a reconstrução precisa de lentes quanto campanhas espectroscópicas demoradas, este método utiliza apenas imagens profundas. Isso significa que mais aglomerados podem ser estudados com o novo método na mesma quantidade de tempo de observação.

Os resultados do estudo introduzem a possibilidade de explorar a natureza da matéria escura. "Se a matéria escura é auto-interagente, poderíamos detectar isso como pequenos desvios na distribuição de matéria escura em comparação com este brilho estelar muito fraco", destaca Ignacio Trujillo, do Instituto de Astrofísica de Canárias, Espanha. Atualmente, tudo o que se sabe sobre a matéria escura é que ela parece interagir gravitacionalmente com a matéria regular, mas não de outra maneira. Descobrir que se auto-interage colocaria restrições significativas em sua identidade.

Outro teste importante deste método será a observação e análise de aglomerados de galáxias adicionais por outras equipes de pesquisa, para adicionar ao conjunto de dados e confirmar estas descobertas.

A equipe também pode esperar pela aplicação das mesmas técnicas usando futuros telescópios espaciais como o James Webb, que terá instrumentos ainda mais sensíveis capazes de resolver a luz fraca do intra-aglomerado no Universo distante.

Os resultados foram publicados na revista Monthly Notices da Royal Astronomical Society.

Fonte: ESA

Um teste galáctico esclarecerá a existência da matéria escura

Pesquisadores da Universidade de Bonn e da Universidade da Califórnia em Riverside usaram sofisticadas simulações de computador para criar um teste que pudesse responder a uma questão impetuosa na astrofísica: será que a matéria escura realmente existe? Ou será que a lei gravitacional de Newton precisa de ser modificada?

© U. Bonn (distribuição da matéria escura, acima, e das estrelas, abaixo)

O novo estudo mostra que a resposta está escondida no movimento das estrelas dentro de pequenas galáxias satélite que giram em torno da Via Láctea.

Usando um dos supercomputadores mais rápidos do mundo, os cientistas simularam a distribuição da matéria nas chamadas galáxias "anãs" satélite. Estas são pequenas galáxias que rodeiam, por exemplo, a Via Láctea ou Andrômeda.

Os pesquisadores focaram-se na denominada Relação de Aceleração Radial (RAR). Nas galáxias de disco, as estrelas movem-se em órbitas circulares em torno do centro galáctico. A aceleração que as força constantemente a mudar de direção é provocada pela atração da matéria na galáxia. A RAR descreve a relação entre esta aceleração e a provocada apenas pela matéria visível. Fornece uma visão acerca da estrutura das galáxias e da sua distribuição de matéria.

Os astrônomos simularam, pela primeira vez, a RAR das galáxias anãs partindo do pressuposto de que a matéria escura existe. Mas e se não houver matéria escura e, em vez disso, a gravidade agir de forma diferente do que pensava Newton? Neste caso, a RAR das galáxias anãs depende muito da distância até à galáxia de origem, enquanto isso não acontece se a matéria escura existir.

Esta diferença torna as galáxias satélite uma poderosa ferramenta para testar se a matéria escura realmente existe. A sonda espacial Gaia, que foi lançada pela ESA em 2013, já pode fornecer uma resposta. Foi construída para estudar as estrelas na Via Láctea e nas suas galáxias satélite com detalhes sem precedentes e já recolheu uma grande quantidade de dados.

No entanto, este enigma provavelmente levará anos até ser resolvido.

Esta questão é uma das mais prementes da cosmologia atual. A existência de matéria escura já foi sugerida há mais de 80 anos pelo astrônomo suíço Fritz Zwicky. Ele percebeu que as galáxias se movem tão depressa dentro dos aglomerados galácticos que estes deviam separar-se. Ele, portanto, postulou a presença de matéria invisível que, devido à sua massa, exerce gravidade suficiente para manter as galáxias nas suas órbitas observadas. Na década de 1970, a sua colega norte-americana Vera Rubin descobriu um fenômeno semelhante em galáxias espirais como a Via Láctea: giram tão depressa que a sua força centrífuga deveria separá-las caso apenas a matéria visível estivesse presente.

Hoje, a maioria dos físicos está convencida de que a matéria escura representa cerca de 80% da massa do Universo. Como não interage com a luz, é invisível aos telescópios. No entanto, supondo que a sua existência fornece um excelente ajuste para várias outras observações, como a distribuição da radiação de fundo, um brilho remanescente de Big Bang. A matéria escura também fornece uma boa explicação para o arranjo e taxa de formação galáctica no Universo. Embora, apesar de numerosos esforços experimentais, não existem evidências diretas da matéria escura. Isto levou os astrõnomos à hipótese de que a força gravitacional propriamente dita pode comportar-se de maneira diferente do que se pensava anteriormente. De acordo com a chamada teoria MOND (MOdified Newtonian Dynamics), a atração entre duas massas obedece às leis de Newton apenas até certo ponto. Em acelerações muito pequenas, como as que prevalecem nas galáxias, a gravidade torna-se consideravelmente mais forte. Portanto, as galáxias não se desfazem devido à sua velocidade de rotação e a teoria MOND pode dispensar esta misteriosa lacuna observacional.

O novo estudo abre a possibilidade de os astrônomos testarem estas duas hipóteses num regime sem precedentes.

Este estudo foi publicado no periódico Physical Review Letters.

Fonte: Universität Bonn

Encontrado material intergaláctico em falta

Depois de um jogo cósmico de esconde-esconde com quase vinte anos, astrônomos usando o observatório espacial XMM-Newton da ESA finalmente encontraram evidências de gás quente e difuso que permeia o cosmos, fechando uma lacuna intrigante no orçamento geral da matéria ordinária do Universo.

© Illustris Collaboration (simulação de uma teia cósmica interligando aglomerados de galáxias)

Embora a misteriosa matéria escura e a energia escura componham cerca de 25% e 70% do nosso cosmos, respetivamente, a matéria comum que constitui tudo o que vemos corresponde a apenas 5%, que são muito difíceis de rastrear.

A quantidade total de matéria comum, denominadas bárions, pode ser estimada a partir de observações da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, que é a luz mais antiga do Universo e que remonta a apenas 380 mil anos após o Big Bang.

As observações de galáxias muito distantes permitem que o acompanhamento da evolução desta matéria ao longo dos primeiros dois bilhões de anos do Universo. No entanto, depois disso, mais da metade parece desaparecer.

Os bárions desaparecidos representam um dos maiores mistérios da astrofísica moderna. Esta matéria existiu no início do Universo, mas não é observada mais no presente. Para onde foi?

A contagem da população de estrelas em galáxias espalhadas pelo Universo, mais o gás interestelar que permeia as galáxias, a matéria-prima para a formação de estrelas, só totaliza uns meros 10% de toda a matéria comum. Somando o gás quente e difuso nos halos que englobam as galáxias e o gás ainda mais quente que preenche os aglomerados de galáxias, as maiores estruturas cósmicas unidas pela gravidade, eleva o inventário para menos de 20%.

Isto não é surpreendente: as estrelas, as galáxias e os aglomerados de galáxias formam-se nos nós mais densos da teia cósmica, a distribuição filamentar da matéria escura e comum que se estende por todo o Universo. Embora estes locais sejam densos, também são raros, portanto não são os melhores locais para procurar a maioria da matéria cósmica.

Os astrônomos suspeitavam que os bárions desaparecidos deviam estar à espreita nos filamentos omnipresentes desta teia cósmica, onde a matéria é menos densa e, portanto, mais difícil de observar. Usando técnicas diferentes ao longo dos anos, conseguiram localizar uma boa parte deste material intergaláctico, principalmente nos seus componentes frios e quentes, elevando o orçamento total até uns respeitáveis 60%, mas deixando o mistério ainda sem solução.

Os bárions em falta são procurados há quase duas décadas, desde que os observatórios de raios X, como o XMM-Newton da ESA e o Chandra da NASA ficaram disponíveis à comunidade científica.

Observando nesta zona do espectro eletromagnético, é possível detectar o gás intergaláctico quente, com temperaturas de cerca de um milhão de graus ou mais, que bloqueia os raios X emitidos por fontes ainda mais distantes.

Para este projeto, os astrônomos usaram o XMM-Newton para observar um quasar, uma galáxia massiva com um buraco negro supermassivo no seu centro que está devorando ativamente matéria e brilhando intensamente em raios X e no rádio. Observaram este quasar, cuja luz leva mais de quatro bilhões de anos até chegar até nós, durante um total de 18 dias, divididos entre 2015 e 2017, na mais longa observação de raios X já realizada para uma fonte deste tipo.

Depois vasculharem os dados, os astrônomos conseguiram encontrar a assinatura do oxigênio no gás intergaláctico quente entre nós e o quasar distante, em dois locais diferentes ao longo da linha de visão.

Este resultado extraordinário é o começo de uma nova missão. São necessárias observações de diferentes fontes, espalhadas pelo céu, para confirmar se estas descobertas são realmente universais e para investigar mais profundamente o estado físico desta matéria há muito procurada.

Os pesquisadores  planejam estudar mais quasares com o XMM-Newton e com o Chandra nos próximos anos. No entanto, para explorar completamente a distribuição e as propriedades deste chamado meio intergaláctico morno-quente, serão necessários instrumentos mais sensíveis, como o Athena (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics) da ESA, com lançamento previsto para 2028.

Uma solução para o mistério do desaparecimento dos bárions foi publicada na revista Nature.

Fonte: University of Colorado

Onde está a matéria em falta do Universo?

Através do observatório espacial XMM-Newton da ESA, os astrônomos sondaram os halos cheios de gás ao redor de galáxias, numa missão para encontrar material “desaparecido” que deveria residir lá, mas acabaram de mãos vazias; então, onde está?

© ESA/XMM-Newton (halos galácticos na NGC 5908)

Toda a matéria no Universo existe na forma de matéria “normal” ou na matéria escura notoriamente elusiva e invisível, com a última cerca de seis vezes mais prolífica.

Curiosamente, os cientistas que estudam galáxias próximas descobriram, nos últimos anos, que estas contêm três vezes menos matéria normal do que o esperado, com a nossa própria galáxia Via Láctea contendo menos da metade da quantidade esperada.

“Isto tem sido um mistério há já muito tempo, e os cientistas empenharam muito esforço à procura dessa matéria em falta,” diz Jiangtao Li, da Universidade de Michigan.

“Porque é que não está nas galáxias, ou está lá, mas nós simplesmente não a conseguimos ver? Se não está lá, onde está? É importante resolver este enigma, pois é uma das partes mais incertas dos nossos modelos, tanto do Universo primitivo quanto de como as galáxias se formam.”

Em vez de estar dentro da massa principal da galáxia, a matéria pode ser observada opticamente, os pesquisadores pensaram que poderia estar numa região de gás quente que se estende mais para o espaço para formar o halo de uma galáxia.

Estes halos esféricos e quentes foram detectados antes, mas a região é tão fraca que é difícil observar em detalhe, a sua emissão de raios X pode perder-se e ser indistinguível da radiação de fundo. Frequentemente, os cientistas observam uma pequena distância nessa região e extrapolam as suas descobertas, mas isto pode resultar em resultados pouco claros e variados.

Jiangtao e os seus colegas queriam medir o gás quente a distâncias maiores, usando o observatório espacial XMM-Newton. Analisaram seis galáxias espirais semelhantes e combinaram os dados para criar uma galáxia com as suas propriedades médias.

“Ao fazer isso, o sinal da galáxia torna-se mais forte e o fundo de raios X comporta-se melhor,” acrescenta Joel Bregman, também da Universidade de Michigan.

“Fomos então capazes de ver a emissão de raios X cerca de três vezes mais longe do que se observássemos uma única galáxia, o que tornou a nossa extrapolação mais precisa e confiável.”

Galáxias espirais massivas e isoladas oferecem a melhor oportunidade de procurar por matéria perdida. Estas são massivas o suficiente para aquecer o gás a temperaturas de milhões de graus, de modo que emitem raios X, e evitam, em grande parte, a contaminação por outros materiais por meio da formação de estrelas ou de interações com outras galáxias.

Os resultados da equipe mostraram que o halo em torno das galáxias, como as que foram observadas, não pode conter todo o material que falta, afinal. Apesar de extrapolar para quase 30 vezes o raio da Via Láctea, quase três quartos do material esperado ainda estava em falta.

Existem duas teorias alternativas principais sobre onde a matéria poderia estar: ou encontra-se armazenada em outra fase gasosa que é mal observada, talvez uma fase mais quente e mais tênue ou uma fase mais fria e mais densa, ou dentro de um trecho do espaço que não é coberto pelas nossas observações atuais, ou emite raios X demasiado fracos para serem detectados.

De qualquer forma, uma vez que as galáxias não contêm material em falta suficiente, podem tê-lo ejetado para o espaço, talvez impulsionadas por injeções de energia de estrelas em explosão ou por buracos negros supermassivos.

No futuro, os cientistas poderão adicionar ainda mais galáxias às amostras de estudo e utilizar o XMM-Newton em colaboração com outros observatórios de alta energia, como o futuro telescópio avançado da ESA, Athena (Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics), para sondar partes densas das bordas externas de uma galáxia, e também desvendar o mistério da matéria desaparecida do Universo.

Um artigo intitulado “Baryon budget of the hot circumgalactic medium of massive spiral galaxies,” foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: ESA

A ausência de matéria escura em galáxia

A matéria escura geralmente estão presentes em galáxias.

© Hubble (NGC 1052-DF2)

Entretanto, os pesquisadores ficaram surpresos quando descobriram uma galáxia que está perdendo a maior parte, se não toda, sua matéria escura. Uma substância invisível, a matéria escura é o andaime subjacente sobre o qual as galáxias são construídas. É a cola que mantém a matéria visível nas galáxias, estrelas e gás juntos.

Esta substância invisível e misteriosa é o aspecto mais dominante de qualquer galáxia. Então, encontrar uma galáxia sem ela é inesperado. Ela desafia as ideias estabelecidas de como as galáxias funcionam e mostra que a matéria escura é real: tem sua própria existência além de outros componentes das galáxias. Este resultado também sugere que pode haver mais de uma maneira de formar uma galáxia.

A única galáxia, chamada NGC 1052-DF2, contém no máximo 1/4 da quantidade de matéria escura que os astrônomos esperavam. A galáxia é tão grande quanto a Via Láctea, mas contém apenas 1/200 do número de estrelas. Dado o tamanho grande e a aparência fraca do objeto, os astrônomos classificam a NGC 1052-DF2 como uma galáxia difusa. Uma pesquisa de 2015 do aglomerado de galáxias de Coma mostrou que estes objetos grandes e fracos são surpreendentemente comuns.

Mas nenhuma das galáxias difusas descobertas até agora foi encontrada com falta de matéria escura. Então, mesmo entre esta classe incomum de galáxia, a NGC 1052-DF2 é excêntrica.

Os astrônomos avistaram a galáxia com o Dragonfly Telephoto Array, um telescópio construído sob encomenda no Novo México que eles projetaram para encontrar estas galáxias fantasmagóricas. Eles então usaram o Observatório W.M. Keck, no Havaí, para medir os movimentos de 10 agrupamentos gigantes de estrelas chamados aglomerados globulares na galáxia. O Keck revelou que os aglomerados globulares estavam se movendo a velocidades relativamente baixas, a menos de 37.000 quilômetros por hora. Estrelas e aglomerados na periferia de galáxias contendo matéria escura se movem pelo menos três vezes mais rápido. A partir destas medições, a equipe calculou a massa da galáxia.

Em seguida, os pesquisadores usaram o telescópio espacial Hubble e o Observatório Gemini, no Havaí, para descobrir mais detalhes sobre a galáxia única. O Gemini revelou que a galáxia não mostra sinais de interação com outra galáxia. O Hubble ajudou-os a identificar melhor os aglomerados globulares e a medir uma distância exata da galáxia.

A galáxia fantasmagórica não tem uma região central perceptível, ou mesmo braços em espiral e um disco, características típicas de uma galáxia espiral. Mas também não parece uma galáxia elíptica. A galáxia também não mostra evidências de que abriga um buraco negro central. Com base nas cores de seus aglomerados globulares, a galáxia tem cerca de 10 bilhões de anos. Mesmo os aglomerados globulares são excêntricos: são duas vezes maiores que os aglomerados estelares típicos vistos em outras galáxias.

A NGC 1052-DF2 reside a 65 milhões de anos-luz de distância da Terra em uma coleção de galáxias que é dominada pela gigantesca galáxia elíptica NGC 1052. A formação da galáxia é turbulenta e violenta, sugerindo que o crescimento da galáxia massiva e incipiente, que ocorreu bilhões de anos atrás, talvez tenha desempenhado um papel na deficiência de matéria escura da NGC 1052-DF2.

Outra ideia é que o gás que se move em direção a galáxia elíptica NGC 1052 pode ter fragmentado e formado a NGC 1052-DF2, auxiliado por poderosos ventos emanados do jovem buraco negro que estava crescendo no centro da NGC 1052. Estas possibilidades são especulativas, no entanto, e não explicam todas as características da galáxia observada.

A equipe já está procurando por mais galáxias deficientes em matéria escura. Eles estão analisando imagens do Hubble de 23 outras galáxias difusas. Três delas parecem semelhantes a NGC 1052-DF2.

Os resultados foram publicados hoje na revista Nature.

Fonte: Space Telescope Science Institute

Descoberta pode elucidar a natureza da matéria escura

Uma interpretação inovadora de dados de raios X de um aglomerado de galáxias pode ajudar na determinação da natureza da matéria escura.

© Chandra/XMM-Newton/Hitomi (aglomerado de galáxias de Perseu)

A descoberta envolve uma nova explicação para um conjunto de resultados obtidos com o observatório de raios X Chandra da NASA, com o XMM-Newton da ESA e com o Hitomi, um telescópio de raios X japonês. Se confirmada com observações futuras, poderá representar um avanço na compreensão da natureza da substância misteriosa e invisível no Universo.

A história deste trabalho começou em 2014 quando uma equipe de astrônomos liderada por Esra Bulbul, do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, encontrou um pico de intensidade numa energia muito específica em observações de gás quente no aglomerado galáctico de Perseu com o Chandra e com o XMM-Newton.

Este pico, ou linha de emissão, encontra-se a uma energia de 3,5 keV (quilo elétons-volt). A intensidade da linha de emissão com esta energia é muito difícil, se não impossível, de explicar em termos de características previamente observadas ou previstas de objetos astronômicos e, portanto, foi sugerida uma origem relacionada com a matéria escura. Os pesquisadores também anunciaram a existência da linha de 3,5 keV num estudo de outros 73 aglomerados de galáxias usando o XMM-Newton.

O enredo desta história da matéria escura ficou mais complexo quando apenas uma semana após a equipe de Bulbul ter submetido o seu trabalho, um grupo diferente, liderado por Alexey Boyarksy da Universidade de Leiden, Holanda, relatou evidências de uma linha de emissão a 3,5 keV nas observações da galáxia M31 e dos arredores do aglomerado de Perseu com o XMM-Newton, confirmando o resultado anterior.

No entanto, estes dois resultados eram controversos, pois outros astrônomos detectaram a mesma linha de 3,5 keV ao observar outros objetos, e outros não a conseguiram detectar.

O debate parecia estar resolvido em 2016 quando o Hitomi, especialmente contruído para observar características detalhadas, como a emissão nos espectros de raios X de fontes cósmicas, não conseguiu detectar a linha de 3,5 keV no aglomerado de Perseu.

O telescópio Hitomi tinha imagens muito mais desfocadas do que o Chandra, de modo que os seus dados do aglomerado de Perseu são na realidade uma mistura de sinais de raios X de duas fontes: um componente difuso de gás quente que envolve a grande galáxia no centro do aglomerado e uma emissão de raios X de perto do buraco negro supermassivo nesta galáxia. A visão mais nítida do Chandra pode separar a contribuição das duas regiões. Então, o sinal de raios X do gás quente foi isolado, removendo fontes pontuais da sua análise, incluindo raios X do material perto do buraco negro supermassivo.

A fim de testar se esta diferença era importante, foram analisados novamente os dados do Chandra próximos do buraco negro no centro do aglomerado de Perseu obtidos em 2009. Foram encontrados algo surpreendente: evidências de um déficit em vez de um excesso de raios X a 3,5 keV. Isto sugere que algo em Perseu está absorvendo raios X nesta energia. Quando os pesquisadores simularam o espectro do Hitomi adicionando esta linha de absorção à linha de emissão do gás quente vista com o Chandra e com o XMM-Newton, não encontraram evidências no espectro somado para a absorção ou para a emissão de raios X a 3,5 keV, consistente com as observações do Hitomi.

O desafio é explicar este comportamento: detectar absorção de raios X quando se observa o buraco negro e emissão de raios X, à mesma energia, quando observando o gás quente a ângulos maiores longe do buraco negro.

Realmente, tal comportamento é bem conhecido no estudo de estrelas e nuvens de gás com telescópios ópticos. A luz de uma estrela rodeada por uma nuvem de gás geralmente mostra linhas de absorção produzidas quando a luz estelar de uma energia específica é absorvida pelos átomos na nuvem de gás. A absorção empurra os átomos de um estado baixo de energia para um estado de alta energia. O átomo rapidamente volta ao estado de baixa energia com a emissão de luz de uma energia específica, mas a luz é reemitida em todas as direções, produzindo uma perda líquida de luz na energia específica, ou seja, uma linha de absorção, no espectro observado da estrela. Em contraste, uma observação de uma nuvem na direção oposta à da estrela apenas detectaria a luz reemitida numa energia específica, que apareceria como uma linha de emissão.

Os pesquisadores sugerem que as partículas de matéria escura podem ser como átomos, tendo dois estados de energia separados por 3,5 keV. Se assim for, pode ser possível detectar uma linha de absorção a 3,5 keV quando observando a ângulos próximos da direção do buraco negro, e a linha de emissão quando observando o gás quente do aglomerado em grandes ângulos, longe do buraco negro.

Para escrever o próximo capítulo desta história, os astrônomos vão precisar de mais observações do aglomerado de Perseu e de outros como ele. Por exemplo, são necessários mais dados para confirmar a realidade do mergulho energético e para excluir a possibilidade de uma combinação de um efeito instrumental inesperado e uma queda estatisticamente improvável em raios X com energia de 3,5 keV. O Chandra, o XMM-Newton e as futuras missões de raios X vão continuar observando aglomerados de galáxias para abordar o mistério da matéria escura.

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na revista Physical Review D.

Fonte: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Galáxias primordiais descobertas em vasto oceano de matéria escura

Os astrônomos esperam que as primeiras galáxias, aquelas que se formaram apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, partilhem muitas semelhanças com algumas das galáxias anãs que vemos no Universo próximo hoje.

© NRAO/D. Berry (ilustração do par de galáxias observadas no Universo primordial)

Estes primeiros aglomerados de alguns bilhões de estrelas tornar-se-iam nos blocos de construção das galáxias maiores que passaram a dominar o Universo nos primeiros bilhões de anos.

No entanto, observações em progresso com o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), descobriram exemplos surpreendentes de galáxias massivas e repletas de estrelas vistas quando o Cosmos tinha menos de um bilhão de anos. Isto sugere que os blocos de construção galáctica menores foram capazes de se aglomerar em galáxias maiores com bastante rapidez.

As observações ALMA mais recentes empurram esta época de formação de galáxias massivas para ainda mais cedo, identificando duas galáxias gigantes vistas quando o Universo tinha apenas 780 milhões de anos, ou cerca de 5% da sua idade atual. O ALMA também revelou que estas galáxias raramente grandes estão aninhadas dentro de uma estrutura cósmica ainda mais massiva, um halo de matéria escura com uma massa equivalente a vários trilhões de sóis.

As duas galáxias estão tão próximas uma da outra, ou seja, uma distância inferior à distância que separa a Terra do centro da nossa Galáxia, que em breve vão fundir-se para formar a maior galáxia já observada neste período da história cósmica. Esta descoberta fornece novos detalhes sobre a origem das galáxias grandes e o papel que a matéria escura desempenha na produção das maiores estruturas do Universo.

Estas galáxias estão sendo observadas durante um período da história cósmica conhecido como a Época da Reionização, quando a maior parte do espaço intergaláctico estava coberto por um nevoeiro obscuro de hidrogênio gasoso e frio. À medida que mais estrelas e galáxias se formavam, a sua energia eventualmente ionizou o hidrogênio entre as galáxias, revelando o Universo como o vemos hoje.

As galáxias estudadas, conhecidas coletivamente como SPT0311-58, foram originalmente identificadas como uma única fonte pelo South Pole Telescope. Estas primeiras observações indicavam que o objeto estava muito distante e brilhava intensamente no infravermelho, o que significava que era extremamente poeirento e provavelmente passava por um surto de formação estelar. Observações subsequentes com o ALMA revelaram a distância e a natureza dupla do objeto, resolvendo claramente o par de galáxias em interação.

Para fazer esta observação, o ALMA teve a ajuda de uma lente gravitacional, que lhe forneceu um impulso de observação. As lentes gravitacionais formam-se quando um objeto massivo interveniente, como uma galáxia ou um aglomerado galáctico, curva a luz de galáxias ainda mais distantes. No entanto, distorcem a aparência do objeto de estudo, exigindo modelos de computador sofisticados para reconstruir a imagem como pareceria no seu estado inalterado.

Este processo de deconvolução forneceu detalhes intrigantes sobre as galáxias, mostrando que a maior das duas está formando estrelas a um ritmo de 2.900 massas solares por ano. Também contém cerca de 270 bilhões de vezes a massa do nosso Sol em gás e quase 3 bilhões de vezes a massa do Sol em poeira. É uma quantidade enorme de poeira, considerando a idade jovem do sistema.

Os astrônomos determinaram que a rápida formação estelar desta galáxia foi provavelmente desencadeada por um encontro próximo com a sua companheira ligeiramente menor, que já contém aproximadamente 35 bilhões de massas solares em conteúdo estelar e está aumentando a sua taxa de formação de estrelas a um ritmo vertiginoso de 540 massas solares por ano.

Os pesquisadores observam que as galáxias desta época são mais "desarrumadas" do que as que vemos no Universo próximo. As suas formas mais desorganizadas seriam devidas aos vastos reservatórios de gás que "chove" sobre elas e às interações e fusões contínuas com as vizinhas.

As novas observações também permitiram inferir a presença de um halo verdadeiramente massivo de matéria escura ao redor de ambas as galáxias. A matéria escura fornece a atração gravitacional que faz com que o Universo colapse em estruturas (galáxias, grupos e aglomerados de galáxias, etc.).

Através da comparação dos seus cálculos com as previsões cosmológicas atuais foi descoberto que este halo é um dos maiores que deverá ter existido naquela momento.

As próximas observações ALMA deverá ajudar a entender quão rápido estas galáxias se juntaram e melhorar a compreensão da formação de galáxias massivas durante a reionização.

Os resultados foram divulgados na revista Nature.

Fonte: National Radio Astronomy Observatory

Satélite chinês que estuda matéria escura detecta primeiros sinais

O satélite chinês DAMPE (Dark Matter Particle Explorer), colocado em órbita em dezembro de 2015, obteve seus primeiros resultados científicos, que podem ajudar a compreender a natureza das partículas mais abundantes do Universo.

© Hubble (aglomerado de galáxias Abell 1689)

Esta imagem mostra o aglomerado de galáxias Abell 1689, com a distribuição em massa da matéria escura devido à lente gravitacional sobreposta (em roxo). A massa nesta lente é composta em parte de matéria bariônica (normal) e em parte de matéria escura. Galáxias distorcidas são claramente visíveis em torno das bordas da lente gravitacional. O aparecimento destas galáxias distorcidas depende da distribuição da matéria na lente e da geometria relativa da lente e das galáxias distantes, bem como sobre o efeito da energia escura na geometria do Universo.

O satélite, também chamado Wukong, ou Monkey King, um dos primeiros grandes projetos de pesquisa astronômica da China, mediu mais de 3,5 bilhões de partículas de raios cósmicos com a maior energia até 100 TeV (teraelétron-volts), e detectou uma ruptura no espectro energético dos raios cósmicos próxima a 0,9 TeV e um possível pico a 1,4 TeV, dados que contribuirão para estudar a enigmática matéria escura.

Em seus primeiros 530 dias de operações, até 8 de junho, a missão chinesa detectou 1,5 milhão de raios cósmicos de elétrons e pósitrons acima de 25 GeV (gigaelétron-volt), segundo divulgou a Academia Chinesa de Ciências (CAS).

Junto com os dados sobre a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, as medições de raios gama de alta energia e a informação de outros telescópios astronômicos, o DAMPE pode ajudar a esclarecer a natureza do decaimento ou aniquilação de particulas de matéria escura.

O Universo possui cerca de 4% de matéria comum, enquanto 26% são matéria escura, que ainda não foi identificada além dos seus efeitos gravitacionais.

A matéria escura é uma substância misteriosa, invisível aos telescópios e percebida apenas através da sua atração gravitacional sobre outros objetos no Universo.

O satélite Planck da ESA (Agência Espacial Europeia), aposentado em 2013, estudou a radiação remanescente do "Big Bang", que criou o Universo há cerca de 13,8 bilhões de anos. O estudo, por sua vez, examinou como a luz de galáxias distantes é encurvada através da influência gravitacional da matéria.

O satélite DAMPE, possui também colaboração de instituições suíças e italianas, busca revelar novos fenômenos do Universo na janela dos teraelétron-volts.

Um artigo dos resultados foi publicado na revista Nature.

Fonte: Xinhua

Uma medida da estrutura da matéria escura no Universo

Imagine que planta uma única semente e, com grande precisão, consegue prever a altura exata da árvore a partir da qual ela cresce. Agora imagine que viaja para o futuro e tira fotografias que provam que estava certo.

© Dark Energy Survey/DEC (NGC 1398)

A galáxia NGC 1398 está localizada no aglomerado da Fornalha, a cerca de 65 milhões de anos-luz da Terra. Mede 135.000 anos-luz em diâmetro, um pouco maior que a Via Láctea, e contém mais de um bilhão de estrelas.

Numa apresentação do Departamento de Partículas e Campos da Sociedade de Física Americana no Laboratório Nacional do Acelerador Fermi nos EUA, cientistas da colaboração Dark Energy Survey (DES) revelaram a medição mais precisa da atual estrutura em larga escala do Universo.

Estas medições da quantidade e distribuição da matéria escura no cosmos atual foram feitas com uma precisão tal que, pela primeira vez, rivaliza com as inferências do Universo inicial pelo observatório espacial Planck da ESA. O novo resultado da DES está perto das "previsões" feitas a partir das medições do Planck no passado distante, permitindo com que os cientistas saibam mais sobre as formas como o Universo evoluiu ao longo de 13,8 bilhões de anos.

Este resultado suporta a teoria de que 26% do Universo está sob a forma da misteriosa matéria escura e que o espaço está preenchido por uma energia escura igualmente invisível, que está acelerando a expansão do Universo e perfaz 70%.

Paradoxalmente, é mais fácil medir a distribuição em larga escala do Universo no seu passado distante do que na atualidade. Nos primeiros 400.000 anos após o Big Bang, o Universo estava preenchido por um gás incandescente, cuja luz sobrevive ainda hoje. O mapa desta radiação cósmica de fundo em micro-ondas, pelo Planck, dá-nos um instantâneo do Universo naquela época primordial. Desde então, a gravidade da matéria escura aglomerou a matéria e tornou o Universo mais "grumoso" com o passar do tempo. Mas a energia escura tem afastando a matéria. Usando o mapa do Planck como um começo, os cosmólogos podem calcular com precisão como é que esta batalha se desenvolve desde o Big Bang.

"As medições da colaboração DES, quando comparadas com o mapa do Planck, suportam a versão mais simples da teoria da matéria escura/energia escura," comenta Joe Zuntz, da Universidade de Edimburgo, que trabalhou na análise. "O momento em que nos apercebemos que a nossa medição coincidia com o resultado do Planck até 93% foi emocionante para a toda a colaboração."

O instrumento principal da DES foi a câmara DEC (Dark Energy Camera) de 570 megapixels, uma das mais poderosas atualmente em existência, capaz de captar imagens digitais da luz de galáxias a oito bilhões de anos-luz da Terra. A câmara foi contruída e testada no Fermilab, o laboratório principal da colaboração DES, e está acoplada ao telescópio Blanco de 4 metros do NSF (National Science Foundation), parte do Observatório Interamericano de Cerro Tololo no Chile, uma divisão do NOAO (National Optical Astronomy Observatory). Os dados da DES são processados pelo Centro Nacional para Aplicações de Supercomputação da Universidade de Illinois.

Os cientistas da DES estão usando a câmara para mapear um-oitavo do céu em detalhes sem precedentes ao longo de cinco anos. O quinto ano de observações começa neste mês de agosto. Os novos resultados, divulgados a semana passada, foram recolhidos apenas durante o primeiro ano do levantamento, que cobre 1/30 do céu.

Os cientistas da colaboração DES usaram dois métodos para medir a matéria escura. Primeiro, criaram mapas das posições das galáxias como se tratasse de marcos e, em segundo lugar, mediram com precisão as formas de 26 milhões de galáxias para mapear diretamente os padrões da matéria escura ao longo de bilhões de anos-luz, usando a técnica de lente gravitacional.

Para fazer estas medições ultraprecisas, a equipa da DES desenvolveu novos métodos de detectar pequenas distorções devidas ao efeito de lente nas imagens das galáxias, um efeito invisível ao olho humano, permitindo avanços revolucionários na compreensão destes sinais cósmicos. No processo, criaram o maior guia para avistar a matéria escura no cosmos alguma vez já desenhado. O novo mapa da matéria escura tem 10 vezes o tamanho do divulgado em 2015 pela DES e, eventualmente, será três vezes maior do que é agora.

Fonte: Fermi National Accelerator Laboratory

Matéria escura era menos influente no Universo primordial

Novas observações indicam que galáxias massivas que estavam formando estrelas durante o pico da formação galáctica, há 10 bilhões de anos atrás, eram dominadas por matéria bariônica, ou seja, matéria normal.

© ESO/L. Calçada (comparação de galáxias com discos em rotação no Universo distante e local)

A representação esquemática acima mostra galáxias com discos em rotação no Universo primordial (à direita) e atual (à esquerda). A influência da matéria escura é vista em vermelho, e as curvas de rotação, em vez de se apresentarem planas, decrescem com o aumento do raio.

Este fato está em perfeito contraste com as galáxias atuais, onde os efeitos da misteriosa matéria escura parecem ser muito maiores. Este resultado surpreendente foi obtido com o auxílio do Very Large Telescope (VLT) do ESO no Observatório do Paranal , no Chile, e sugere que a matéria escura tinha menos influência no Universo primordial do que tem atualmente.

A matéria normal apresenta-se sob a forma de estrelas brilhantes, gás resplandescente e nuvens de poeira. No entanto, a matéria escura mais elusiva não emite, absorve ou reflete luz e por isso apenas pode ser observada através dos seus efeitos gravitacionais. A presença de matéria escura explica por que é que as regiões mais externas das galáxias espirais próximas giram mais rapidamente do que o que seria de esperar se apenas estivesse presente a matéria normal que observamos de forma direta.

O disco de uma galáxia espiral gira com um período de centenas de milhões de anos. Os núcleos destas galáxias têm enormes concentrações de estrelas, mas a densidade de matéria luminosa diminui em direção à sua periferia. Se a massa da galáxia consistisse inteiramente de matéria normal, então as regiões externas menos densas deveriam girar mais lentamente do que as regiões centrais mais densas. No entanto, observações de galáxias espirais próximas mostram que as suas regiões internas e externas rodam aproximadamente à mesma velocidade. Estas “curvas de rotação planas” indicam que estes objetos devem conter enormes quantidades de matéria não luminosa situada num halo que rodeia o disco galáctico.

Uma equipe internacional de astrônomos, liderada por Reinhard Genzel do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre em Garching, na Alemanha, utilizou os instrumentos KMOS e SINFONI montados no VLT, para medir a rotação de seis galáxias massivas que estão formando estrelas no Universo distante, na época do pico da formação galáctica, há 10 bilhões de anos atrás.

O que a equipe descobriu é intrigante: ao contrário das galáxias espirais encontradas no Universo atual, as regiões externas destas galáxias distantes parecem girar mais lentamente que as regiões mais próximas do núcleo, sugerindo que existe menos matéria escura presente do que o esperado.

“Surpreendentemente, as velocidades de rotação não são constantes, mas diminuem com a distância ao centro das galáxias,” comenta Reinhard Genzel. “Existem muito provavelmente duas causas para isso. A primeira é que estas galáxias massivas primordiais são fortemente dominadas por matéria normal, com a matéria escura desempenhando um papel muito menos preponderante do que no Universo local. A segunda é que estes discos primordiais são muito mais turbulentos do que as galáxias espirais que observamos na nossa vizinhança cósmica.”

Ambos estes efeitos parecem se tornar mais marcantes à medida que os astrônomos observam cada vez mais longe no passado, em direção ao Universo primordial. Isso sugere que três a quatro bilhões de anos após o Big Bang, o gás nas galáxias já se encontrava eficientemente condensado em discos planos em rotação, enquanto os halos de matéria escura que os rodeavam eram muito maiores e mais dispersos. Aparentemente foram precisos bilhões de anos para que a matéria escura também se condensasse, razão pela qual o seu efeito dominante é observado apenas atualmente.

Esta explicação é consistente com as observações, que mostram que as galáxias primordiais eram muito mais ricas em gás e muito mais compactas do que as galáxias atuais.

As seis galáxias mapeadas neste estudo fazem parte de uma amostra muito maior composta por uma centena de discos longínquos que estão formando estrelas. Além das medições das galáxias individuais descritas acima, foi também criada uma curva de rotação média combinando os sinais mais fracos das outras galáxias. Esta curva composta mostra igualmente a mesma tendência de diminuição da velocidade quando nos afastamos dos centros das galáxias. Adicionalmente, dois outros estudos de 240 discos formando estrelas apoiam igualmente estes resultados.

Modelos detalhados mostram que, enquanto a matéria normal representa em média cerca de metade da massa total de todas as galáxias, para desvios para o vermelho elevados esta matéria domina completamente a dinâmica das galáxias.

Este trabalho foi descrito no artigo científico intitulado “Strongly baryon dominated disk galaxies at the peak of galaxy formation ten billion years ago”, de R. Genzel et al., que foi publicado na revista Nature.

Fonte: ESO

A matéria escura pode ser mais uniforme do que se esperava

A análise de um enorme levantamento de galáxias, obtido pelo Telescópio de Rastreio do VLT (VST) do ESO no Chile, sugere que a matéria escura pode ser menos densa e estar distribuída de forma mais uniforme no espaço do que o que se pensava anteriormente.

© ESO/VST (mapa da matéria escura da região G12 do levantamento KiDS)

Uma equipe internacional de astrônomos utilizou dados do Rastreio KiDS (Kilo Degree Survey) para estudar como é que a radiação emitida por cerca de 15 milhões de galáxias distantes é afetada pela influência gravitacional da matéria das estruturas com maiores escalas do Universo. Os resultados do estudo parecem estar em desacordo com resultados anteriores obtidos com o satélite Planck.

Hendrik Hildebrandt do Argelander-Institut für Astronomie em Bonn, Alemanha, e Massimo Viola do Observatório de Leiden, Holanda, lideraram uma equipe de astrónomos de instituições de vários países, que processou as imagens obtidas no rastreio KiDS feito com o telescópio VST. Para a análise foram utilizadas imagens do rastreio que cobriam cinco regiões no céu, numa área total de cerca de 2.200 vezes o tamanho da Lua Cheia e contendo cerca de 15 milhões de galáxias.

Tirando partido da qualidade de imagem excepcional de que o VST usufrui no Paranal e usando software de computador inovador, a equipe conseguiu finalizar as medições mais precisas de sempre de um efeito conhecido por cisalhamento cósmico. Trata-se de uma variante sutil do efeito de lente gravitacional fraco, no qual a radiação emitida por galáxias distantes se encontra ligeiramente distorcida pelo efeito gravitacional de enormes quantidades de matéria, como por exemplo aglomerados de galáxias.

No efeito de cisalhamento cósmico esta matéria não se encontra sob a forma de aglomerados de galáxias mas sim de estruturas de larga escala do Universo que distorcem a radiação, dando origem a um efeito ainda mais reduzido. Rastreios muito grandes e profundos, tais como o KiDS, são necessários de modo a garantir que o sinal muito fraco do cisalhamento é captado com intensidade suficiente para poder ser medido e utilizado pelos astrônomos para mapear a distribuição da matéria. Este estudo fez uso da maior área total do céu mapeada até à data com esta técnica.

Intrigantemente, os resultados da análise parecem ser inconsistentes com deduções obtidas a partir de resultados do satélite Planck da Agência Espacial Europeia (ESA), a principal missão espacial que investiga as propriedades fundamentais do Universo. Particularmente, a medição da equipe KiDS relativa a quão “grumosa” é a matéria que se encontra distribuída no Universo, — um parâmetro cosmológico fundamental — é significativamente mais baixa do que o valor derivado dos dados Planck. O parâmetro medido chama-se S₈ e o seu valor é uma combinação do tamanho das flutuações de densidade e da densidade média de uma seção do Universo. Flutuações maiores em regiões de menor densidade do Universo têm um efeito similar a flutuações de amplitude menor em regiões mais densas, não se conseguindo distinguir ambos os efeitos em observações de lentes gravitacionais fracas. O índice 8 corresponde a uma região de 8 milhões de parsecs de tamanho, a qual é usada por convenção neste tipo de estudos.

Massimo Viola explica: “Este resultado indica que a matéria escura na rede cósmica, a qual corresponde a cerca de um quarto do conteúdo do Universo, é menos grumosa do que o que se pensava anteriormente.”

A matéria escura é muito difícil de detectar, inferindo-se apenas a sua presença pelo efeito gravitacional que exerce sobre outra matéria no Universo. Estudos como este são atualmente a melhor maneira de determinar a forma, a escala e a distribuição desta matéria invisível.

O resultado surpreendente deste estudo tem igualmente implicações na compreensão mais ampla do Universo e em como é que este evoluiu durante os quase 14 bilhões de anos da sua história. Um tal desacordo aparente com os resultados anteriormente estabelecidos pelo Planck significa que os astrônomos terão agora que reformular o seu conhecimento de alguns dos aspectos fundamentais do desenvolvimento do Universo.

Hendrik Hildebrandt comenta: “Os nossos resultados ajudarão a refinar os modelos teóricos que explicam como é que o Universo se desenvolveu desde o seu início até aos dias de hoje.”

A análise dos dados do rastreio KiDS do VST é um passo importante, no entanto espera-se que telescópios futuros executem rastreios do céu ainda maiores e mais profundos.

Catherine Heymans da Universidade de Edinburgh, Reino Unido, acrescenta: “Desvendar o que se passou desde o Big Bang é um desafio complexo, mas ao estudarmos o céu distante, podemos construir uma imagem de como é que o nosso Universo moderno evoluiu.”

“Deparamo-nos atualmente com uma discrepância intrigante relativamente à cosmologia derivada pelo Planck. Missões futuras, tais como o satélite Euclid e o Large Synoptic Survey Telescope, permitirão repetir estas medições e compreender melhor o que é que o Universo nos está querendo dizer”, conclui Konrad Kuijken (Observatório de Leiden, Holanda), pesquisador principal do rastreio KiDS.

Este trabalho foi descrito no artigo científico intitulado “KiDS-450: Cosmological parameter constraints from tomographic weak gravitational lensing”, de H. Hildebrandt et al., que será publicado na revista especializada Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: ESO

Uma galáxia que é predominantemente constituída de matéria escura

A galáxia Dragonfly 44 é muito difusa e está localizada a 300 milhões de anos-luz de distância na constelação de Coma.

© Gemini Observatory/SDSS (galáxia Dragonfly 44)

Ela foi descoberta há um ano pelo astrônomo Dr. Pieter van Dokkum e colegas, da Universidade de Yale, usando a Dragonfly Telephoto Array.

Mediante uma análise mais aprofundada, os astrônomos perceberam que a galáxia tinha tão poucas estrelas que rapidamente seria rompida, a menos que algo estava segurando-a junto.

Para determinar a quantidade de matéria escura nesta galáxia, eles usaram o instrumento DEIMOS instalado no W. M. Keck Observatory em Mauna Kea, no Havaí, para medir as velocidades das estrelas em 33,5 horas durante um período de seis noites para que pudessem determinar a massa da galáxia.

Os cientistas, em seguida, utilizaram o Gemini Multi-Object Spectrograph instalado no telescópio Gemini North de 8 metros, para revelar um halo de aglomerados esféricos de estrelas em torno do núcleo da galáxia.

Os movimentos das estrelas podem fornecer quanta matéria existe. Na galáxia Dragonfly 44 as estrelas se movem muito rápido.

Entretanto, os astrônomos notaram uma grande discrepância,  encontraram muito mais massa indicada pelos movimentos das estrelas.

A massa da Dragonfly 44 é estimada em um trilhão de vezes a massa do Sol, muito semelhante à massa da Via Láctea. No entanto, apenas um 0,01% está na forma de estrelas e matéria "normal"; o restante 99,99% está sob a forma de matéria escura.

A Via Láctea tem mais de uma centena de vezes mais estrelas do que Dragonfly 44.

Encontrar uma galáxia com a massa da Via Láctea, que é quase totalmente escura foi inesperado.

"Nós não temos nenhuma idéia de como galáxias como Dragonfly 44 poderia ter se formado," disse o Dr. Roberto Abraham, da Universidade de Toronto. "Os dados do GEMINI mostram que uma fracção relativamente grande das estrelas está sob a forma de aglomerados muito compactos, e que é provavelmente uma pista importante. Mas no momento estamos apenas supondo."

"Isto tem grandes implicações para o estudo da matéria escura," disse o Dr. van Dokkum. "Ela ajuda a ter objetos que são quase inteiramente feitos de matéria escura para que não se confunda com estrelas e todas as outras coisas que as galáxias têm."

"As únicas galáxias que foram estudadas antes eram diminutas. Esta descoberta abre uma nova classe de objetos massivos que podemos estudar," conclui o Dr. van Dokkum.

Os resultados da equipe foram aceitos para publicação no Astrophysical Journal Letters.

Fonte: Astronomy

Missão do Fermi expande a procura por matéria escura

A matéria escura, a misteriosa substância que constitui a maior parte do material do Universo, permanece tão evasiva como sempre.

© Hubble/DSS2 (Pequena Nuvem de Magalhães)

Embora experiências terrestres e espaciais tenham ainda de encontrar traços da matéria escura, os resultados estão ajudando os cientistas a descartar algumas das muitas possibilidades teóricas. Três estudos publicados no início deste ano, usando seis ou mais anos de dados do telescópio espacial de raios gama Fermi da NASA, ampliaram a missão de buscar matéria escura usando algumas abordagens novas.

A matéria escura não emite nem absorve luz, interage principalmente com o resto do Universo através da gravidade e, ainda assim, corresponde a cerca de 80% da matéria no Universo. Os astrônomos vêm os seus efeitos em todo o cosmos, e na rotação das galáxias, na distorção da luz que passa através de aglomerados de galáxias e em simulações do Universo jovem, que até exige a presença da matéria escura para a formação de galáxias.

Os principais candidatos para a matéria escura são classes diferentes de partículas hipotéticas. Os cientistas pensam que os raios gama, a forma mais energética de luz, pode ajudar a revelar a presença de alguns tipos de partículas propostas da matéria escura. Anteriormente, o Fermi procurou sinais de raios gama associados com a matéria escura no centro da nossa Galáxia e em pequenas galáxias anãs que a orbitam. Embora sem a descoberta de sinais convincentes, estes resultados eliminaram candidatos dentro de um intervalo de massas e taxas de interação, limitando ainda mais as possíveis características das partículas de matéria escura.

Entre os novos estudos, o cenário mais exótico investigado foi a possibilidade de a matéria escura consistir de partículas hipotéticas chamadas áxions ou outras partículas com propriedades semelhantes. Um aspeto interessante dos áxions é a capacidade de conversão em raios gama e vice-versa quando interagem com campos magnéticos fortes. Estas conversões deixariam para trás traços característicos, como falhas e "escadas" no espetro de uma fonte de raios gama brilhante.

Manuel Meyer da Universidade de Estocolmo liderou um estudo para procurar estes efeitos nos raios gama da NGC 1275, a galáxia central do aglomerado de galáxias de Perseu, localizado a aproximadamente 240 milhões de anos-luz de distância. Pensa-se que as emissões altamente energéticas da NGC 1275 estejam associadas com um buraco negro supermassivo no seu centro. Tal como em todos os aglomerados de galáxias, o aglomerado de Perseu tem gás quente envolvido com campos magnéticos, que permitem a transição entre raios gama e os áxions. Isto significa que alguns dos raios gama provenientes da NGC 1275 podem converter-se em áxions, e potencialmente de volta, enquanto viajam até nós.

A equipe de Meyer recolheu observações com o instrumento LAT (Large Area Telescope) do Fermi e procurou distorções previstas no sinal de raios gama. Os achados, publicados no dia 20 de abril na revista Physical Review Letters, exclui os áxions que poderiam ter constituído cerca de 4% da matéria escura.

Outra classe possível da matéria escura são as chamadas WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Em algumas versões, as WIMPs que colidem ou se aniquilam mutuamente ou produzem uma partícula intermediária e de rápida decomposição. Ambos os cenários resultam em raios gama que podem ser detectados pelo LAT.

Regina Caputo da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, procurou estes sinais na Pequena Nuvem de Magalhães, localizada a cerca de 200.000 anos-luz de distância, a segunda maior galáxia que orbita a Via Láctea. Parte do encanto da Pequena Nuvem de Magalhães no que toca a uma investigação de matéria escura é que está relativamente perto de nós e a sua emissão de raios gama, que vem de fontes convencionais como formação estelar e pulsares, é bem compreendida. Mais importante ainda, os astrônomos têm medições de alta precisão da curva de rotação da Pequena Nuvem de Magalhães, que mostra como a sua velocidade de rotação muda com a distância ao centro e indica a quantidade de matéria escura presente. Num artigo publicado no dia 22 de março na revista Physical Review D, Caputo e colegas modelaram o teor de matéria escura da Pequena Nuvem de Magalhães, mostrando que possuía o suficiente para produzir sinais detectáveis de dois tipos de WIMPs.

 

© NASA/Fermi (blazares)

Esta animação alterna entre duas imagens do céu em raios gama, visto pelo instrumento LAT do Fermi, uma usando os primeiros três meses de dados do LAT, a outra que mostra uma exposição acumulada de sete anos. A cor azul, que representa a menor quantidade de raios gama, inclui o fundo extragaláctico de raios gama (FER). Os blazares constituem a maior parte das fontes brilhantes aqui vistas (de vermelho a branco).

No terceiro estudo, pesquisadores liderados por Marco Ajello da Universidade de Clemson na Carolina do Sul, EUA, e por Mattia Di Mauro do Laboratório do Acelerador Nacional do SLAC na Califórnia, levaram a pesquisa numa direção diferente. Em vez de olhar para alvos astronômicos específicos, a equipe usou mais de 6,5 anos de dados do LAT para analisar o fundo de raios gama visto em todo o céu.

A natureza desta radiação, chamada fundo extragaláctico de raios gama, tem sido debatida desde que foi medida pela primeira vez pelo SAS-2 (Small Astronomy Satellite 2) da NASA na década de 1970. O Fermi mostrou que grande parte desta radiação tem origem em fontes não resolvidas de raios gama, particularmente galáxias chamadas blazares, galáxias alimentadas por material que cai em direção a buracos negros gigantescos. Os blazares constituem mais de metade do total das fontes de raios gama observadas pelo Fermi e compõem uma percentagem ainda maior num novo catálogo LAT dos raios gama mais energéticos.

Alguns modelos preveem que os raios gama do FER possam surgir de distantes interações com partículas de matéria escura, como a aniquilação ou decaimento dos WIMPs. Numa análise detalhada dos raios gama altamente energéticos do FER, publicada no dia 14 de abril na revista Physical Review Letters, Ajello e sua equipe mostram que os blazares e outras fontes discretas podem ser responsáveis pela quase totalidade desta emissão.

Apesar destes estudos mais recentes terem ficado de mãos vazias, a busca para encontrar matéria escura continua tanto no espaço como em experiências terrestres. Ao Fermi junta-se o instrumento AMS da NASA, um detector de partículas a bordo da Estação Espacial Internacional.

Fonte: SLAC National Accelerator Laboratory

Aglomerados de galáxias revelam novas impressões sobre a matéria escura

A matéria escura é um fenômeno cósmico misterioso que corresponde a 27% de toda a matéria e energia.

© NASA/ESA/JPL-Caltech/Yale/CNRS (Abell 1689)

Embora a matéria escura esteja sempre à nossa volta, não a podemos ver ou sentir. Mas os cientistas podem inferir a presença da matéria escura observando como a matéria normal se comporta em torno dela.

Os aglomerados de galáxias, que consistem em milhares de galáxias, são importantes para explorar a matéria escura porque residem numa região onde tal matéria é mais densa do que a média. Pensa-se que quanto mais massivo é o aglomerados de galáxias, mais matéria escura tem no seu ambiente. Mas uma nova pesquisa sugere que a ligação é mais complicada do que isso.

"Os aglomerados de galáxias são como as grandes cidades do nosso Universo. Da mesma forma que podemos olhar para as luzes de uma cidade à noite, a partir de um avião, e inferir o seu tamanho, estes aglomerados dão-nos uma ideia da distribuição da matéria escura que não podemos ver," afirma Hironao Miyatake do Jet Propulsion Laboratory (JPL) da NASA em Pasadena, no estado americano da Califórnia.

Um novo estudo, liderado por Miyatake, sugere que a estrutura interna de um aglomerado de galáxias está ligada ao ambiente de matéria escura em seu redor. Esta é a primeira vez que se mostra que uma propriedade, além da massa do aglomerado, está associada com a matéria escura.

Os pesquisadores estudaram cerca de 9.000 aglomerados de galáxias do catálogo de galáxias SDSS (Sloan Digital Sky Survey) DR8 e dividiram-nos em dois grupos consoante as suas estruturas internas: um, no qual as galáxias individuais dentro dos aglomerados estavam mais espalhadas, e o outro no qual estavam agrupadas mais intimamente. Os cientistas usaram uma técnica chamada lente gravitacional, observando como a gravidade dos aglomerados curva a luz de outros objetos, para confirmar que ambos os grupos tinham massas semelhantes.

Mas quando os cientistas compararam os dois grupos, encontraram uma diferença importante na distribuição dos aglomerados de galáxias. Normalmente, os aglomerados de galáxias estão separados dos outros, em média, por 100 milhões de anos-luz. Mas para o grupo de aglomerados com galáxias mais próximas umas das outras, havia menos aglomerados vizinhos a esta distância do que no grupo com aglomerados mais dispersos. Por outras palavras, o ambiente de matéria escura em seu redor determina quão agrupado é o aglomerados de galáxias.

"A diferença é o resultado dos diferentes ambientes de matéria escura em que os grupos de aglomerados de galáxias se formam. Os nossos resultados indicam que a ligação entre um aglomerado de galáxias e a matéria escura ao redor não se caracteriza apenas pela massa do aglomerado, mas também pela sua história de formação," comenta Miyatake.

David Spergel, professor de astronomia na Universidade de Princeton em Nova Jersey, acrescenta: "estudos observacionais anteriores haviam mostrado que a massa dos aglomerados de galáxias é o fator mais importante na determinação das suas propriedades globais. O nosso trabalho mostra que a 'idade também conta': aglomerados mais jovens vivem em ambientes diferentes de matéria escura em grande escala do que os aglomerados mais velhos."

Os resultados estão em linha com as previsões da teoria principal acerca das origens do nosso Universo. Depois de um evento chamado inflação cósmica, um período de menos de um bilionésimo de segundo após o Big Bang, existiram pequenas mudanças na energia do espaço chamadas flutuações quânticas. Estas mudanças, em seguida, desencadearam uma distribuição não uniforme da matéria. Os cientistas dizem que os aglomerados de galáxias que vemos hoje resultaram de flutuações na densidade da matéria no início do Universo.

"A ligação entre a estrutura interna dos aglomerados de galáxias e a distribuição da matéria escura em torno é uma consequência da natureza das flutuações de densidade iniciais estabelecidas antes do Universo ter sequer um segundo de idade," explica Miyatake.

Os pesquisadores vão continuar explorando estas ligações.

"Os aglomerados de galáxias são janelas notáveis sobre os mistérios do Universo. Ao estudá-los, podemos aprender mais sobre a evolução da estrutura em larga escala do Universo e sobre a sua história, bem como da matéria escura e da energia escura," conclui Miyatake.

O novo estudo foi publicado no periódico Physical Review Letters.

Fonte: Jet Propulsion Laboratory

Uma ponte de matéria escura em nossa vizinhança cósmica

Ao utilizar os melhores dados disponíveis para monitorar o tráfego em nossa vizinhança galáctica, Noam Libeskind, do Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam e seus colaboradores criaram um mapa detalhado de como as galáxias nas proximidades se movem.

© Hubble (Abell 1689)

A imagem acima mostra o aglomerado de galáxias Abell 1689, que está  localizado a 2,2 bilhões de anos-luz, na constelação de Virgem. É um dos maiores aglomerados de galáxias conhecidos.

Os pesquisadores descobriram uma ponte de matéria escura que se estende desde o Grupo Local até o aglomerado de Virgem (Virgo), com aproximadamente 50 milhões de anos-luz de distância, que é ligado em ambos os lados por vastas bolhas completamente desprovidas de galáxias. O aglomerado de Virgem possui cerca de 2.000 galáxias,  cuja massa estimada é de 1,2 × 10¹⁵ M_☉ (massas solares).

Esta ponte e esses vazios possibilitam entender um problema que perdura por mais de 40 anos em relação à distribuição curiosa de galáxias anãs.

Estas galáxias anãs são frequentemente encontradas em torno de galáxias anfitriãs maiores, como a nossa Via Láctea. Uma vez que elas são fracas, são difíceis de serem detectadas e são, portanto, encontradas quase exclusivamente em nossa vizinhança cósmica. Um aspecto particularmente fascinante de sua existência é que perto da Via Láctea e pelo menos dois dos nossos vizinhos mais próximos, as galáxias de Andrômeda e Centaurus A, estes satélites não apenas flutuam ao redor aleatoriamente, mas em vez disso são compactos, lisos, planos e possivelmente giram. Estas estruturas não são um resultado ingênuo do modelo da Matéria Escura Fria que a maioria dos cosmólogos acreditam que é responsável pela forma como o Universo gera galáxias. Estas estruturas são, portanto, um desafio para a doutrina atual.
Uma possibilidade é que essas pequenas galáxias repercutem a geometria da estrutura em escalas muito maiores: "Esta é a primeira vez que tivemos verificação observacional de que os caminhos de grandes filamentos estão canalizando galáxias anãs em todo o cosmos ao longo de magníficas pontes de matéria escura", diz Libeskind. Esta "rodovia" cósmica fornece aos satélites excesso de velocidade numa rampa ao longo do qual eles podem ser transferidos para a Via Láctea, Andrômeda e Centaurus A.
"O fato de que esta ponte galáctica pode afetar as galáxias anãs em torno de nós é impressionante, dada a diferença de escala entre os dois: os planos das galáxias anãs são em torno de um por cento do tamanho da ponte galáctica para Virgo".

A ilustração abaixo mostra o fluxo atual de galáxias ao longo da auto-estrada cósmica e sobre a ponte para Virgo, na região em torno da Via Láctea, Andrômeda e Centaurus A.

© AIP/Kerstin Mork (fluxo atual de galáxias)

O Instituto de Astrofísica de Potsdam (AIP) é o sucessor do Observatório de Berlim fundado em 1700 e do Observatório Astrofísico de Potsdam fundado em 1874. O último foi o primeiro observatório do mundo para enfatizar explicitamente a pesquisa na área de astrofísica. Desde 1992, o Instituto de Astrofísica de Potsdam é um membro da Associação Leibniz. Os temas principais do Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam são campos magnéticos cósmicos e astrofísica extragaláctica. Uma parte considerável dos esforços do instituto visam o desenvolvimento da tecnologia de pesquisa nas áreas de espectroscopia, telescópios robóticos, e e-ciência.

Um artigo intitulado "Planos de galáxias satélites ea rede cósmica" de Noam Libeskind et al. foi publicado no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam

Mapa da distribuição da matéria escura no Universo

Uma equipe internacional de pesquisadores desenvolveu um novo mapa da distribuição da matéria escura no Universo usando dados do Dark Energy Survey (DES).

© Dark Energy Survey (mapa da distribuição de galáxias e da matéria escura)

Cientistas do levantamento DES lançaram o primeiro de uma série de mapas de matéria escura do cosmos. Estes mapas, criados como resultados da análise das imagens de uma das câmeras digitais mais poderosas do mundo, a DECam, são os maiores mapas contíguos criados nesse nível de detalhe e irão melhorar a nossa compreensão do papel de matéria escura na formação de galáxias. Análise do grau de aglomeração da matéria escura nestes mapas também permitirá aos cientistas sondar a natureza da misteriosa energia escura, que se acredita estar causando a expansão acelerada do Universo.

A matéria escura, misteriosa substância que compõe cerca de um quarto do Universo, é invisível para até mesmo os instrumentos astronômicos mais sensíveis, pois não emite nem absorve a luz. No entanto, os seus efeitos podem ser vistos através do estudo de um fenômeno chamado de lente gravitacional, que é a distorção que ocorre quando a força gravitacional da matéria escura curva a trajetória de um raio de luz proveniente de galáxias distantes. Compreender o papel da matéria escura faz parte do programa de pesquisa para quantificar o papel da energia escura, objetivo final da pesquisa conduzida pelos participantes do levantamento DES.

Esta análise foi liderada por Vinu Vikram do Argonne National Laboratory (EUA) e Chihway Chang da ETH , de Zurique (Suíça). Vikram , Chang e seus colaboradores de outras instituições participantes do DES trabalharam por mais de um ano para validar cuidadosamente os ‘mapas de lentes’. “Nós medimos distorções quase imperceptíveis nas formas de cerca de dois milhões de galáxias para construir estes novos mapas,” disse Vikram. “Eles são um testemunho, não só da sensibilidade da câmera do DES, mas também do trabalho rigoroso por nossa equipe para compreender sua sensibilidade tão bem que podemos obter resultados precisos”.

A câmera foi construída e testada no Fermi National Accelerator Laboratory, Estados Unidos, e agora está montada no telescópio Blanco de 4 metros, no Observatório de Cerro Tololo, Chile. Os dados foram processados no Nacional Center for Supercomputing Applications, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, EUA.

O mapa de matéria escura recém divulgado faz uso das observações iniciais do DES e cobre apenas três por cento da área do céu que o levantamento irá cobrir ao final de sua missão de cinco anos. A pesquisa acaba de completar seu segundo ano, mas na medida que a busca for expandida, será possível testar as teorias cosmológicas em voga, pela comparação entre as quantidades de matéria escura e visível.

Essas teorias sugerem que, uma vez que há muito mais matéria escura no Universo do que a matéria visível, galáxias se formarão onde grandes concentrações de matéria escura estão presentes. Até agora, a análise dos cientistas do DES corrobora esta afirmação. Os mapas mostram grandes filamentos de matéria ao longo do qual as galáxias visíveis e aglomerados de galáxias se encontram e vazios cósmicos onde poucas galáxias residem. Estudos de acompanhamento de alguns dos enormes filamentos e vazios, e o enorme volume de dados, coletados durante a pesquisa vai revelar mais sobre esta interação da matéria com a luz.

“Nossa análise, até o momento, está de acordo com o modelo dominante que descreve o Universo,” disse Chang. “Nós estamos ansiosos para usar os novos dados que estão sendo reduzidos para fazer testes muito mais rigorosos de modelos teóricos.”

Ampliando os mapas possibilitará medir como a matéria escura envolve galáxias de diferentes tipos, e como juntos eles evoluem ao longo do tempo cósmico. A relação entre a distribuição de galáxias e o mapa de matéria escura é próximo ao previsto por modelos teóricos baseados em simulações cosmológicas que incluem uma expansão acelerada do Universo.

O mapa irá funcionar como uma ferramenta valiosa para a cosmologia, desvendando o mistério da matéria e da energia escura.

Neste trabalho recém submetido a publicação participam 6 afiliados do Laboratório Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA), que apoiam um grupo de cientistas brasileiros através do consórcio DES-Brazil.

A pesquisa aparece em dois artigos, Vikram et al, “Wide-Field Lensing Mass Maps from the DES Science Verification Data: Methodology and Detailed Analysis,” na Physical Review D (no prelo) e Chang et al, “Wide-Field Lensing Mass Maps from DES Science Verification Data,” publicado em 24 de junho na Physical Review Letters.

Fonte: Argonne National Laboratory & LIneA

Novo rastreio enorme irá ajudar a compreender a matéria escura

Foram divulgados os primeiros resultados de um novo rastreio importante de matéria escura no céu austral, conduzido pelo VLT Survey Telescope (VST) do ESO , montado no Observatório do Paranal, no Chile.

© ESO/Kilo-Degree Survey Collaboration (rastreio KiDS mostrando a presença de matéria escura)

O rastreio KiDS do VST permitirá aos astrônomos fazer medições precisas de matéria escura, da estrutura de halos de galáxias e da evolução de galáxias e aglomerados. Os primeiros resultados KiDS mostram como é que as características das galáxias observadas são determinadas pelos enormes halos de matéria escura invisível que as rodeiam.

Cerca de 85% da matéria do Universo é escura e de um tipo que não é compreendido pelos físicos. Os astrônomos descobriram que o conteúdo total massa/energia do Universo está dividido 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). Embora esta matéria não brilhe nem absorva radiação, é possível detectá-la através do efeito que tem sobre estrelas e galáxias, particularmente devido à sua atração gravitacional. Um projeto importante que utiliza os telescópios de rastreio do ESO acaba de mostrar de modo extremamente claro a ligação entre esta misteriosa matéria escura e as galáxias brilhantes que observamos de forma direta. Cálculos feitos com supercomputadores mostram como é que um Universo cheio de matéria escura evolui: ao longo do tempo a matéria escura junta-se formando uma enorme rede cósmica e as galáxias e estrelas formam-se onde o gás é “puxado” pelas concentrações mais densas de matéria escura.
O projeto, chamado Kilo-Degree Survey (KiDS), faz uso de imagens do VLT Survey Telescope e da sua enorme câmera, a OmegaCAM. Situado no Observatório do Paranal no Chile, este telescópio dedica-se a mapear o céu noturno no visível, sendo complementado pelo telescópio de rastreio infravermelho, o VISTA. Um dos objetivos principais do VST é mapear a matéria escura e utilizar estes mapas para compreender a misteriosa energia escura que faz com que a expansão do Universo esteja acelerando.
A melhor maneira para descobrir onde é que se encontra a matéria escura é utilizar o efeito de lente gravitacional, a distorção do tecido do Universo devido à gravidade, a qual deflete a radiação emitida por galáxias distantes, que se encontram muito além da matéria escura. Ao estudar este efeito, é possível mapear os lugares onde a gravidade é mais forte, e portanto descobrir onde é que a matéria, incluindo a matéria escura, se encontra.
Fazendo parte da primeira remessa de artigos científicos, a equipe internacional (Holanda, Reino Unido, Alemanha, Itália e Canadá) de pesquisadores KiDS, liderada por Koen Kuijken do Observatório de Leiden, na Holanda, utilizou este método para analisar imagens de mais de dois milhões de galáxias, a cerca de 5,5 bilhões de anos-luz de distância. Este trabalho utilizou mapas 3D de grupos de galáxias, obtidos pelo projeto GAMA (Galaxy and Mass Assembly), na sequência de extensas observações no Telescópio Anglo-Australiano. A equipe estudou a distorção da radiação emitida por estas galáxias, que se curva ao passar por enormes halos de matéria escura no seu percurso até à Terra.
Os primeiros resultados vêm de apenas 7% da área total do rastreio e concentram-se em mapear a distribuição de matéria escura em grupos de galáxias. A maioria das galáxias vivem em grupos, incluindo a nossa própria Via Láctea que faz parte do Grupo Local, e compreender quanta matéria escura é que contêm é um teste crucial à teoria de formação de galáxias na rede cósmica. Os resultados obtidos através do efeito de lente gravitacional mostram que estes grupos contêm cerca de 30 vezes mais matéria escura que matéria visível.
“O mais interessante é que a galáxia mais brilhante encontra-se quase sempre no meio do halo de matéria escura,” diz Massimo Viola do Observatório de Leiden, Holanda, autor principal de um dos primeiros artigos científicos do KiDS.
“Esta previsão da teoria de formação de galáxias, que diz que as galáxias continuam se juntando em grupos e se concentrando nos seus centros, nunca tinha sido demonstrada anteriormente de modo observacional de forma tão clara ,” acrescenta Koen Kuijken.
Estes resultados são apenas o início de um programa principal que vai explorar bases de dados enormes obtidas pelos telescópios de rastreio, sendo que estes dados começam agora a ficar disponíveis a todos os cientistas do mundo através do arquivo do ESO.
O rastreio KiDS ajudará a aumentar o nosso conhecimento da matéria escura. Ser capaz de explicar a matéria escura e os seus efeitos representará um enorme avanço na física.

Este trabalho foi descrito numa série de artigos científicos que foram submetidos a diversas revistas especializadas, tais como: Astronomy & Astrophysics e Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: ESO

Descobertas nove concentrações de matéria escura

Pesquisadores do Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ), a Universidade de Tóquio e outras instituições começaram um levantamento da distribuição da matéria escura no Universo usando o Hyper Suprime-Cam (HSC), uma nova câmera de campo amplo instalada no telescópio Subaru no Havaí.

© NAOJ/HSC (distribuição da matéria escura)

As linhas de contorno na imagem acima mostram a distribuição da matéria escura obtidas pela HSC, numa seção de 14 x 9,5 minutos de arco.

Os resultados iniciais de observações cobrindo uma área de 2,3 graus quadrados no céu na direção da constelação de Câncer revelou nove grandes concentrações de matéria escura, cada uma tendo a massa de um aglomerado de galáxias.

Foi examinando como a matéria escura é distribuída e como as mudanças de distribuição ao longo do tempo é essencial para a compreensão da função da energia escura que controla a expansão do Universo. Estes primeiros resultados demonstram que os astrônomos têm agora as técnicas e ferramentas para compreender a energia escura. O próximo passo da equipe de pesquisa é expandir a área para cobrir mil graus quadrados no céu, ampliando a possibilidade de desvendar o mistério da energia escura e da expansão do Universo.
Mapeando a matéria escura sobre uma região ampla é fundamental para compreender as propriedades da energia escura, que controla a expansão do Universo. Estes primeiros resultados demonstram que com as técnicas atuais de pesquisa e tecnologia através da HSC, a equipe agora está pronta para explorar como a distribuição da matéria escura no Universo mudou ao longo do tempo, e explorar o Universo.

Desde 1929, quando o astrônomo Edwin Hubble descobriu que o Universo está em expansão, os astrônomos usaram um modelo de trabalho que teve a taxa de expansão abrandada ao longo do tempo. A atração gravitacional, até recentemente, a única força conhecida agindo entre as galáxias, trabalha contra a expansão. No entanto, na década de 1990, estudos de supernovas distantes mostraram que o Universo está se expandindo mais rápido hoje do que era no passado. Esta descoberta necessita de uma mudança dramática na nossa compreensão da física: ou há algum tipo de "energia escura" com uma força repulsiva que obriga as galáxias se distanciarem, ou a física da gravidade precisa de alguma revisão fundamental. Lembrando que o Prêmio Nobel de Física 2011 foi concedido para Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt e Adam G. Riess pela descoberta da expansão acelerada do Universo através de observações de supernovas distantes.

Na expansão acelerada do Universo é útil observar a relação entre a taxa de expansão do Universo e a taxa à qual os objetos cósmicos se formam. Por exemplo, se o Universo está se expandindo rapidamente, levará mais tempo para a matéria se aglutinar e as galáxias se formarem. Por outro lado, se o Universo está se expandindo lentamente, é mais fácil para as estruturas como as galáxias se constituírem. O desafio de confirmar a existência de matéria escura e seu efeito sobre a expansão é que a maior parte da matéria no Universo é escura e não emite luz, ou seja, não pode ser detectada diretamente por telescópios ópticos.

Uma técnica que pode ultrapassar este desafio é a detecção e análise de "lentes gravitacionais fracas". A concentração de matéria escura funciona como uma lente que dobra a luz que vem até mesmo de objetos mais distantes. Ao analisar como que a luz de fundo é dobrada e como a lente distorce as formas dos objetos distantes é possível determinar como a matéria escura é distribuída em primeiro plano. Esta análise da matéria escura e os seus efeitos permitem que os astrônomos determinem como ela foi constituída ao longo do tempo. A história da montagem da matéria escura pode estar relacionada com a história da expansão do Universo, e deve revelar algumas das propriedades físicas da energia escura, sua força e como ela mudou ao longo do tempo.

Para obter uma quantidade suficiente de dados, os astrônomos precisam observar as galáxias localizadas a mais de um bilhão de anos-luz de distância, através de uma área maior do que mil graus quadrados (cerca de um quadragésimo de todo o céu). A combinação do telescópio Subaru, com a sua abertura diâmetro de 8,2 metros, e a Suprime-Cam, predecessora da HSC, com um campo de visão de um décimo de um grau quadrado (comparável ao tamanho da Lua), tem sido uma das ferramentas de maior sucesso na busca de objetos distantes fracos sobre uma vasta área do céu.

Para o levantamento de mil graus quadrados do céu foi utilizado a HSC, uma câmera com a mesma qualidade de imagem da Suprime-Cam, mas com um campo de visão mais de sete vezes maior. A HSC com 870 milhões de pixels foi instalada no Telescópio Subaru em 2012, ela proporciona imagens que cobrem uma área do céu tão grande como nove luas cheias em uma única exposição, com muito pouca distorção e resolução fina de sete milésimos de grau (0,5 segundos de arco).

Os pesquisadores ao medir as formas individuais de inúmeras galáxias criaram um mapa do esconderijo da matéria escura em primeiro plano. O resultado foi a descoberta de nove aglomerados de matéria escura, cada um pesando como um aglomerado de galáxias. A confiabilidade da análise das lentes gravitacionais fracas, e os mapas da matéria escura resultante, foram confirmadas por observações com telescópios que mostram aglomerados de galáxias atuais correspondentes aos aglomerados de matéria escura descobertos pela HSC. A equipe utilizou dados da Deep Lens Survey para identificação dos aglomerados de galáxias ópticos.

O número de aglomerados de galáxias obtidos pela HSC excede previsões dos modelos atuais da história inicial do Universo. Como a equipe de pesquisadores ampliou o mapa de matéria escura de sua meta de mil graus quadrados, os dados devem revelar se esse excesso é real ou apenas um acaso estatístico. Se o excedente for real, ele sugere que a energia escura não era como se esperava no passado, permitindo que o Universo se expandisse delicadamente e as estrelas e galáxias se formassem rapidamente.

Usando lentes gravitacionais fracas para o mapear a matéria escura é uma forma de descobrir objetos astronômicos usando sua massa, ao saber que algo existe e quanto ele pesa, ao mesmo tempo. Ele dá uma medida direta da massa que é normalmente disponível quando é utilizado outros métodos de descoberta. Portanto, os mapas de massa de matéria escura são uma ferramenta essencial para a compreensão da história da expansão do Universo com precisão e exatidão.

Estes são os primeiros resultados científicos da tecnologia HSC e foram aceitos para publicação no periódico Astrophysical Journal.

Fonte: National Astronomical Observatory of Japan