SATÉLITES DA VIA LÁCTEA AJUDAM A REVELAR LIGAÇÃO ENTRE HALOS DE MATÉRIA ESCURA E A FORMAÇÃO GALÁCTICA 14 de abril de 2020
Simulação da formação de estruturas de matéria escura desde o Universo jovem até hoje. A gravidade torna os aglomerados de matéria escura em halos densos, como indicado pelas manchas brilhantes, onde as galáxias se formam. No vídeo, aos 18 segundos da simulação, um halo como aquele que hospeda a Via Láctea, começa a tomar forma no centro superior da imagem. Este halo cai para o primeiro e maior halo, aproximadamente aos 35 segundos, imitando a queda da Grande Nuvem de Magalhães para a Via Láctea. Os cientistas usaram simulações como esta para melhor compreender a ligação entre a matéria escura e a formação galáctica.
Crédito: Ralf Kaehler/Laboratório Nacional SLAC
Assim como o Sol tem planetas e os planetas têm luas, a nossa Galáxia tem galáxias satélites, e algumas delas podem ter as suas próprias galáxias satélites ainda mais pequenas. Com base em medições recentes da missão Gaia da ESA, pensa-se que a Grande Nuvem de Magalhães (GNM), uma galáxia satélite relativamente grande visível a partir do hemisfério sul, tenha trazido com ela pelo menos seis das suas próprias satélites quando se aproximou da Via Láctea pela primeira vez.
Os astrofísicos pensam que a matéria escura é responsável por grande parte desta estrutura, e agora investigadores do Laboratório Nacional SLAC (do Departamento de Energia dos EUA) e do DES (Dark Energy Survey) basearam-se em observações de galáxias ténues em torno da Via Láctea para colocar restrições mais rígidas na ligação entre o tamanho e a estrutura das galáxias e os halos de matéria escura que as rodeiam. Ao mesmo tempo, encontraram mais evidências para a existência de galáxias satélites da GNM e fizeram uma nova previsão: se os modelos dos cientistas estiverem corretos, a Via Láctea deve ter mais 100 galáxias satélites, muito fracas, ainda por descobrir com projetos de próxima geração, como o levantamento LSST (Legacy Survey of Space and Time) do Observatório Vera C. Rubin.
O novo estudo, que será publicado na revista The Astrophysical Journal, faz parte de um esforço maior de entender como a matéria escura funciona em escalas menores que a nossa Galáxia, disse Ethan Nadler, autor principal do estudo e estudante do KIPAC (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology) e da Universidade de Stanford.
"Conhecemos muito bem algumas coisas sobre a matéria escura - quanta matéria escura existe, como é que se agrupa - mas todas estas afirmações são qualificadas dizendo: sim, é assim que se comporta em escalas maiores que o tamanho do nosso Grupo Local de galáxias," disse Nadler. "E então a questão é: será que funciona às escalas mais pequenas que podemos medir?"
Lançando luz galáctica sobre a matéria escura
Os astrónomos sabem há muito tempo que a Via Láctea tem galáxias satélites, incluindo a Grande Nuvem de Magalhães, que pode ser vista a olho nu a partir do hemisfério sul, mas até ao ano 2000 pensava-se que totalizavam apenas mais ou menos uma dúzia. Desde então, o número de galáxias satélites observadas aumentou dramaticamente. Graças ao SDSS (Sloan Digital Sky Survey) e às descobertas de projetos mais recentes, incluindo o DES (Dark Energy Survey), o número de galáxias satélites conhecidas subiu para cerca de 60.
Estas descobertas são sempre empolgantes, mas o que talvez seja mais empolgante é o que os dados nos podem dizer sobre o cosmos. "Pela primeira vez, podemos procurar estas galáxias satélites em cerca de três-quartos do céu, e isso é realmente importante para as várias maneiras de aprender mais sobre a matéria escura e sobre a formação das galáxias," disse Risa Wechsler, diretora do KIPAC. No ano passado, por exemplo, Wechsler, Nadler e colegas usaram dados sobre galáxias satélites em conjunto com simulações de computador para estabelecer limites muito mais restritos às interações da matéria escura com a matéria normal.
Agora, Wechsler, Nadler e a equipa do DES estão a usar dados de um levantamento mais abrangente do céu para fazer perguntas diferentes, incluindo a quantidade de matéria escura necessária para formar uma galáxia, quantas galáxias satélites devemos esperar encontrar em redor da Via Láctea e se essas galáxias podem colocar as suas próprias satélites em órbita da nossa - uma previsão fundamental do modelo mais popular da matéria escura.
Dicas de hierarquia galáctica
A resposta a esta última pergunta parece ser um retumbante "sim."
A possibilidade de detetar uma hierarquia de galáxias satélites surgiu pela primeira vez há alguns anos atrás, quando o DES detetou mais galáxias satélites na vizinhança da Grande Nuvem de Magalhães do que o esperado caso essas satélites estivessem distribuídas aleatoriamente pelo céu. Estas observações são particularmente interessantes, disse Nadler, à luz das medições do Gaia, que indicaram que seis destas galáxias satélites caíram para a Via Láctea com a GNM.
Para estudar as satélites da GNM mais detalhadamente, Nadler e a sua equipa analisaram simulações de computador de milhões de universos possíveis. Essas simulações, originalmente realizadas por Yao-Yuan Mao, ex-aluno de Wechsler que está agora na Universidade Rutgers, modelaram a formação da estrutura da matéria escura que permeia a Via Láctea, incluindo detalhes como aglomerados mais pequenos de matéria escura na Via Láctea que se pensa hospedarem galáxias satélites. Para ligar a matéria escura à formação galáctica, os cientistas usaram um modelo flexível que lhes permite explicar incertezas no entendimento atual da formação de galáxias, incluindo a relação entre o brilho das galáxias e a massa de aglomerados de matéria escura nas quais se formam.
Um esforço liderado por outros membros da equipa do DES, incluindo os ex-alunos do KIPAC Alex Drlica-Wagner, atualmente do Fermilab e professor assistente de astronomia e astrofísica da Universidade de Chicago, e Keith Bechtol, professor assistente de física na Universidade de Wisconsin-Madison, e colaboradores, produziu o passo final crucial: um modelo em que as galáxias satélites são mais prováveis de serem observadas por levantamentos atuais, tendo em conta onde estão no céu bem como o seu brilho, tamanho e distância.
Com estes componentes em mão, a equipa executou o seu modelo com uma ampla gama de parâmetros e procurou simulações nas quais objetos tipo-GNM caíam na atração gravitacional de uma galáxia parecida com a Via Láctea. Ao compararem estes casos com observações galácticas, puderam inferir uma série de parâmetros astrofísicos, incluindo quantas galáxias satélites deveriam ter acompanhado a Grande Nuvem de Magalhães. Os resultados, disse Nadler, são consistentes com as observações do Gaia: seis galáxias satélites devem poder ser atualmente detetadas na vizinhança da GNM, movendo-se aproximadamente às mesmas velocidades e aproximadamente nas mesmas posições que os astrónomos tinham observado anteriormente.
Galáxias ainda não observadas
Além das descobertas da GNM, a equipa também estabeleceu limites para a ligação entre os halos de matéria escura e a estrutura galáctica. Por exemplo, nas simulações que mais se aproximaram da história da Via Láctea e da GNM, as galáxias mais pequenas que os astrónomos podiam atualmente observar devem ter estrelas com uma massa combinada de aproximadamente cem sóis, e cerca de um milhão de vezes mais matéria escura. De acordo com uma extrapolação do modelo, as galáxias mais fracas já observadas podiam formar-se em halos até cem vezes menos massivos.
E podem estar por vir mais descobertas: se as simulações estiverem corretas, disse Nadler, existem cerca de outras 100 galáxias satélites – no total, mais do dobro do número já encontrado - pairando em torno da Via Láctea. A descoberta dessas galáxias ajudaria a confirmar o modelo dos investigadores das ligações entre a matéria escura e a formação de galáxias, explicou, e provavelmente colocaria restrições mais rígidas à natureza da própria matéria escura.
