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MEDIÇÕES DA LUZ INTRAENXAME SUGEREM POSSÍVEL LIGAÇÃO COM A MATÉRIA ESCURA
29 de janeiro de 2021

 


À esquerda temos uma imagem simulada na qual a luz intraenxame é visível como uma neblina difusa entre picos discretos de brilho - as galáxias. Em observações, como as da direita, esta componente de luz intraenxame é amplamente abafada pelo ruído.
Crédito: esquerda - Jesse Golden-Marx; simulação por The IllustrisTNG; direita - DES e Yuanyuan Zhang

 

Uma combinação de dados observacionais e simulações sofisticadas de computador deu passos em frente num campo da astrofísica com poucos avanços no último meio século. O DES (Dark Energy Survey), com sede no Laboratório Nacional do Acelerador Fermi do Departamento de Energia dos EUA, publicou uma série de novos resultados sobre o que é chamado de ICL ("intracluster light", luz intraenxame em português), um tipo ténue de luz encontrada dentro de enxames galácticos.

A primeira vaga de novas medições precisas da ICL apareceu num artigo publicado na revista The Astrophysical Journal em abril de 2019. Outro apareceu mais recentemente na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Numa descoberta surpreendente deste último trabalho, os físicos do DES descobriram novas evidências de que a ICL pode fornecer uma nova maneira de medir uma substância misteriosa chamada matéria escura.

A fonte da ICL parece ser estrelas errantes, aquelas que não estão gravitacionalmente ligadas a nenhuma galáxia. Há muito que se suspeita que a ICL seja um componente significativo dos enxames de galáxias, mas o seu brilho fraco torna-a difícil de medir. Ninguém sabe quanto existe ou até que ponto se espalhou pelos enxames galácticos.

"Observacionalmente, descobrimos que a luz intraenxame é um marcador radial muito bom da matéria escura. Isto significa que a luz intraenxame é relativamente brilhante, a matéria escura é relativamente densa," disse Yuanyuan Zhang, cientista do Fermilab que liderou ambos os estudos. "Apenas medir a própria ICL é excitante. A parte da matéria escura é uma descoberta fortuita. Não é o que esperávamos."

Embora invisível, a matéria escura é responsável pela maior parte da matéria no Universo. Em que consiste a matéria escura é um dos maiores mistérios da cosmologia moderna. Os cientistas sabem apenas que difere muito da matéria normal que consiste dos protões, neutrões e eletrões que dominam a vida quotidiana.

Mas a ICL, não a matéria escura, estava inicialmente na agenda da equipa de investigação. A maioria dos astrofísicos mede a luz intraenxame no centro de um enxame de galáxias, onde é mais brilhante e abundante.

"Nós fomos para muito longe dos centros dos enxames galácticos, onde a luz é muito fraca," disse Zhang. "E quanto mais nos afastávamos do centro, mais difícil se tornava a medição."

No entanto, os colaboradores do DES conseguiram obter a medição da ICL mais radialmente estendida de todos os tempos.

A equipa usou lentes gravitacionais fracas para comparar a distribuição radial da ICL - como muda com a distância ao centro de um enxame - com a distribuição radial da massa de um enxame de galáxias. A lente fraca é um método sensível à matéria escura para medir a massa de uma galáxia ou enxame. Ocorre quando a gravidade de uma estrela ou enxame em primeiro plano desvia a luz de uma galáxia mais distante, distorcendo a sua forma aparente.

Descobriu-se observacionalmente que a ICL reflete a distribuição tanto da massa visível total de um enxame galáctico quanto, possivelmente, a distribuição da matéria escura invisível.

"Não esperávamos encontrar uma ligação tão íntima entre estas distribuições radiais, mas encontrámos," disse Hillysson Sampaio-Santos, autor principal do novo artigo científico.

Comparando observações com simulações

Para obter mais informações, a equipa usou uma sofisticada simulação de computador para estudar a relação entre a ICL e a matéria escura. Descobriram que os perfis radiais entre os dois fenómenos na simulação não estavam de acordo com os dados observacionais. Na simulação, "o perfil radial da ICL não era o melhor componente para rastrear a matéria escura," disse Sampaio-Santos, do Observatório Nacional no Rio de Janeiro, Brasil.

Zhang observou que é muito cedo para dizer exatamente o que causou o conflito entre observação e simulação.

"Se a simulação não tivesse dado certo, podia significar que a luz intraenxame simulada é produzida num momento ligeiramente diferente do que nas observações. As estrelas simuladas não tiveram tempo suficiente para vaguear e começar a traçar a matéria escura," acrescentou.

Sampaio-Santos observou que mais estudos da ICL podem fornecer informações sobre a dinâmica que ocorre dentro dos enxames de galáxias, incluindo interações que libertam gravitacionalmente algumas das suas estrelas, permitindo-lhes vaguear.

"Estou a planear estudar a luz intraenxame e os efeitos do relaxamento," ou desta libertação, disse. Por exemplo, alguns enxames fundiram-se. Estes enxames fundidos devem ter luz intraenxame com propriedades diferentes da ICL comparada com enxames "relaxados".

Melhorando os sinais em conjuntos de dados ruidosos

A ICL que a equipa mediu é cerca de cem a mil vezes mais ténue do que a que os cientistas do DES normalmente tentam medir. Isto significa que a equipa teve que lidar com muito ruído e contaminação no sinal.

O aspeto técnico da proeza foi desafiador, disse Zhang, "mas como tínhamos muitos dados do DES, conseguimos cancelar muito ruído para fazer este tipo de medição. É uma média estatística."

Os astrofísicos normalmente fazem medições da ICL usando um punhado de enxames galácticos de cada vez.

"Esta é uma ótima maneira de obter informações sobre os sistemas individuais," disse Zhang.

Para obter uma imagem maior e para reduzir o ruído, a equipa do DES calculou estatisticamente uma média de 300 enxames de galáxias no primeiro estudo e mais de 500 enxames no segundo. Todos eles estão a alguns milhares de milhões de anos-luz da Terra.

Para filtrar o sinal do ruído de cada enxame são necessários muitos dados, que é exatamente o que o DES gerou. No início de 2019, o DES completou a sua missão de seis anos de observar centenas de milhões de galáxias distantes nos céus do hemisfério sul e publicou este mês o seu segundo lançamento de dados.

As medições da ICL sondam enxames que estão até 3,3 mil milhões de anos-luz da Terra. Em estudos futuros, Zhang gostaria de estudar a evolução do desvio para o vermelho da ICL - como muda com o tempo cósmico.

"O meu sonho é chegar ao desvio para o vermelho 'um' - 10 mil milhões de anos-luz," comentou Zhang. "Os estudos dizem que é quando a ICL começa a evoluir."

Indo tão longe permitiria com que os cientistas vissem a construção da ICL ao longo do tempo.

"Mas isto é incrivelmente difícil porque está três vezes mais longe do que a distância das nossas últimas medições, de modo que tudo aí será extremamente ténue," concluiu.

 


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// Fermilab (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)
// Artigo científico (arXiv.org)
// Artigo científico de abril de 2019 (The Astrophysical Journal)
// Artigo científico de abril de 2019 (arXiv.org)

Saiba mais

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ICL ("intracluster light", luz intraenxame):
Animação entre imagem original e versão que realça ICL (HubbleESA via YouTube)

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Lentes gravitacionais:
Wikipedia
Lente gravitacional fraca (Wikipedia)

Colaboração DES:
Página principal
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