Observações do Hubble Space Telescope da NASA / ESA e do Very Large Telescope do European Southern Observatory (VLT) no Chile descobriram que algo pode estar faltando nas teorias de como a matéria escura se comporta. Este ingrediente ausente pode explicar porque os pesquisadores descobriram uma discrepância inesperada entre as observações das concentrações de matéria escura em uma amostra de aglomerados de galáxias massivas e simulações de computador teóricas de como a matéria escura deve ser distribuída em aglomerados. As novas descobertas indicam que algumas concentrações em pequena escala de matéria escura produzem efeitos de lente que são 10 vezes mais fortes do que o esperado.
A matéria escura é a cola invisível que mantém as estrelas, a poeira e o gás juntos em uma galáxia. Esta substância misteriosa compõe a maior parte da massa de uma galáxia e forma a base da estrutura em grande escala do nosso Universo. Como a matéria escura não emite, absorve ou reflete luz, sua presença só é conhecida por meio de sua atração gravitacional sobre a matéria visível no espaço. Astrônomos e físicos ainda estão tentando definir o que é.
Os aglomerados de galáxias, as estruturas mais massivas e recentemente montadas no Universo, são também os maiores repositórios de matéria escura. Os aglomerados são compostos de galáxias membros individuais que são mantidas juntas em grande parte pela gravidade da matéria escura.
“Os aglomerados de galáxias são laboratórios ideais para estudar se as simulações numéricas do Universo atualmente disponíveis reproduzem bem o que podemos inferir das lentes gravitacionais”, disse Massimo Meneghetti do INAF-Observatório de Astrofísica e Ciência Espacial de Bolonha, na Itália, o autor principal do estudo.
“Fizemos muitos testes com os dados deste estudo e temos certeza de que essa incompatibilidade indica que algum ingrediente físico está faltando nas simulações ou em nosso entendimento da natureza da matéria escura”, acrescentou Meneghetti.
“Há uma característica do universo real que simplesmente não estamos capturando em nossos modelos teóricos atuais”, acrescentou Priyamvada Natarajan, da Universidade de Yale em Connecticut, EUA, um dos teóricos seniores da equipe. “Isso pode sinalizar uma lacuna em nossa compreensão atual da natureza da matéria escura e suas propriedades, já que esses dados primorosos nos permitiram sondar a distribuição detalhada da matéria escura nas menores escalas.”
A distribuição da matéria escura em aglomerados é mapeada medindo a curvatura da luz – o efeito de lente gravitacional – que eles produzem. A gravidade da matéria escura concentrada em aglomerados amplia e distorce a luz de objetos de fundo distantes. Este efeito produz distorções nas formas das galáxias de fundo que aparecem nas imagens dos aglomerados. As lentes gravitacionais também podem frequentemente produzir imagens múltiplas da mesma galáxia distante.
Quanto maior a concentração de matéria escura em um aglomerado, mais dramático será seu efeito de distorção da luz. A presença de aglomerados em escala menor de matéria escura associados a aglomerados de galáxias individuais aumenta o nível de distorções. Em certo sentido, o aglomerado de galáxias atua como uma lente de grande escala que possui muitas lentes menores embutidas.
As imagens nítidas do Hubble foram obtidas pela Wide Field Camera 3 e Advanced Camera for Surveys do telescópio. Juntamente com os espectros do Very Large Telescope (VLT) do European Southern Observatory, a equipe produziu um mapa de matéria escura preciso e de alta fidelidade. Ao medir as distorções das lentes, os astrônomos puderam rastrear a quantidade e distribuição da matéria escura. Os três aglomerados de galáxias principais, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 e Abell S1063, faziam parte de duas pesquisas do Hubble: Os Campos da Fronteira e a pesquisa de Cluster Lensing e Supernova com programas Hubble (CLASH).
Para a surpresa da equipe, além dos arcos dramáticos e características alongadas de galáxias distantes produzidas pelas lentes gravitacionais de cada aglomerado, as imagens do Hubble também revelaram um número inesperado de arcos em escala menor e imagens distorcidas aninhadas perto do núcleo de cada aglomerado, onde os mais massivos galáxias residem. Os pesquisadores acreditam que as lentes aninhadas são produzidas pela gravidade de densas concentrações de matéria dentro de cada aglomerado de galáxias. Observações espectroscópicas subsequentes mediram a velocidade das estrelas orbitando dentro de vários aglomerados de galáxias para determinar suas massas.
“Os dados do Hubble e do VLT forneceram excelente sinergia”, compartilhou o membro da equipe Piero Rosati, da Università degli Studi di Ferrara, na Itália, que liderou a campanha espectroscópica. “Conseguimos associar as galáxias a cada aglomerado e estimar suas distâncias.”
“A velocidade das estrelas nos deu uma estimativa da massa de cada galáxia individual, incluindo a quantidade de matéria escura”, acrescentou o membro da equipe Pietro Bergamini do INAF-Observatório de Astrofísica e Ciência Espacial em Bolonha, Itália.
Ao combinar imagens do Hubble e espectroscopia VLT, os astrônomos foram capazes de identificar dezenas de galáxias de fundo com múltiplas imagens e lentes. Isso permitiu que montassem um mapa bem calibrado e de alta resolução da distribuição de massa da matéria escura em cada aglomerado.
A equipe comparou os mapas de matéria escura com amostras de aglomerados simulados de galáxias com massas semelhantes, localizados aproximadamente nas mesmas distâncias. Os aglomerados no modelo de computador não mostraram nenhum nível de concentração de matéria escura nas escalas menores – as escalas associadas a aglomerados de galáxias individuais.
“Os resultados dessas análises demonstram ainda mais como as observações e simulações numéricas andam de mãos dadas”, disse a integrante da equipe Elena Rasia, do INAF-Observatório Astronômico de Trieste, Itália.
“Com simulações de alta resolução, podemos igualar a qualidade das observações analisadas em nosso trabalho, permitindo comparações detalhadas como nunca antes”, acrescentou Stefano Borgani da Università degli Studi di Trieste, Itália.
Os astrônomos, incluindo os desta equipe, esperam continuar investigando a matéria escura e seus mistérios para finalmente descobrir sua natureza.
Publicado em 12/09/2020 02h14
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