doi.org/10.3847/1538-4357/ad3fb5
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#Matéria Escura
Os astrônomos observaram uma colisão única entre dois aglomerados de galáxias, revelando como a matéria escura e a matéria normal se separam durante esses encontros.
Usando uma combinação de telescópios avançados e técnicas de observação, incluindo o efeito SZ, os investigadores rastrearam as velocidades dissociadas da matéria escura e normal.
O estudo aumenta a nossa compreensão da natureza misteriosa da matéria escura e prepara o terreno para pesquisas futuras.
Desacoplamento de matéria escura em aglomerados de galáxias: Os astrônomos desembaraçaram uma colisão confusa entre dois aglomerados massivos de galáxias em que as vastas nuvens de matéria escura dos aglomerados se desacoplaram da chamada matéria normal.
Cada um dos dois aglomerados contém milhares de galáxias e estão localizados a bilhões de anos-luz de distância da Terra.
À medida que se atropelavam, a matéria escura – uma substância invisível que sente a força da gravidade mas não emite luz – avançou à frente da matéria normal.
As novas observações são as primeiras a sondar diretamente a dissociação das velocidades da matéria escura e normal.
Colados pela força da gravidade, os aglomerados de galáxias estão entre as maiores estruturas do universo.
Apenas 15% da massa nesses aglomerados é matéria normal, a mesma matéria que constitui os planetas, as pessoas e tudo o que você vê ao seu redor.
Desta matéria normal, a grande maioria é gás quente, enquanto o resto são estrelas e planetas.
Os 85% restantes da massa do aglomerado são matéria escura.
À medida que a colisão avança, a matéria escura nos aglomerados de galáxias (azul) move-se à frente das nuvens associadas de gás quente, ou matéria normal (laranja).
Crédito da animação: Observatório WM Keck/Adam Makarenko
Dinâmica de colisão e interação da matéria
Durante a disputa que ocorreu entre os aglomerados, conhecida coletivamente como MACS J0018.5+1626, as próprias galáxias individuais permaneceram praticamente ilesas porque existe muito espaço entre elas.
Mas quando as enormes reservas de gás entre as galáxias (a matéria normal) colidiram, o gás tornou-se turbulento e superaquecido.
Embora toda a matéria, incluindo a matéria normal e a matéria escura, interaja através da gravidade, a matéria normal também interage através do eletromagnetismo, que a retarda durante uma colisão.
Assim, enquanto a matéria normal ficava atolada, as poças de matéria escura dentro de cada aglomerado continuavam navegando.
Pense numa colisão massiva entre vários caminhões basculantes que transportam areia, sugere Emily Silich, autora principal de um novo estudo que descreve as descobertas no The Astrophysical Journal.
“A matéria escura é como a areia e voa adiante.” Silich é um estudante de pós-graduação que trabalha com Jack Sayers, professor pesquisador de física na Caltech e investigador principal do estudo.
Metodologia de pesquisa e insights observacionais: A descoberta foi feita usando dados do Observatório Submilimétrico Caltech (que foi recentemente removido de seu local em Maunakea, no Havaí e será realocado para o Chile), do Observatório WM Keck em Maunakea, do Chandra X- ray, o Telescópio Espacial Hubble da NASA, o agora aposentado Observatório Espacial Herschel e o Observatório Planck da Agência Espacial Europeia (cujos centros científicos afiliados da NASA estavam baseados no IPAC da Caltech) e o Experimento do Telescópio Submilimétrico Atacama no Chile.
Algumas das observações foram feitas há décadas, enquanto a análise completa utilizando todos os conjuntos de dados ocorreu nos últimos dois anos.
Análise comparativa com o cluster Bullet: Essa dissociação da matéria escura e normal já foi vista antes, mais famosa no cluster Bullet.
Nessa colisão, o gás quente pode ser visto claramente atrás da matéria escura depois que os dois aglomerados de galáxias se cruzaram.
A situação que ocorreu no MACS J0018.5+1626 (referido posteriormente como MACS J0018.5) é semelhante, mas a orientação da fusão é girada, aproximadamente 90 graus em relação à do Bullet Cluster.
Em outras palavras, um dos aglomerados massivos do MACS J0018.5 está voando quase em linha reta em direção à Terra, enquanto o outro está se afastando.
Essa orientação deu aos investigadores um ponto de vista único para, pela primeira vez, mapear a velocidade da matéria escura e da matéria normal e elucidar como se separam uma da outra durante uma colisão de enxames de galáxias.
“Com o Bullet Cluster, é como se estivéssemos sentados em uma arquibancada assistindo a uma corrida de carros e pudéssemos capturar lindas fotos dos carros se movendo da esquerda para a direita na reta”, diz Sayers.
“No nosso caso, é mais como se estivéssemos na reta com um radar, parados na frente de um carro que vem em nossa direção e somos capazes de obter sua velocidade.”
Medindo as velocidades da matéria usando o efeito SZ
Para medir a velocidade da matéria normal, ou gás, no aglomerado, os pesquisadores usaram um método observacional conhecido como efeito cinético Sunyaev-Zel’dovich (SZ).” Sayers, que lembra primeiro coletando os dados do CSO sobre este objeto há quase 20 anos, diz: “Levamos muito tempo para juntar todas as peças do quebra-cabeça, mas agora finalmente sabemos o que está acontecendo.
Esperamos que isso leve a uma maneira totalmente nova de estudar a matéria escura em aglomerados.” Sayers e seus colegas fizeram a primeira detecção observacional do efeito cinético SZ em um objeto cósmico individual, um aglomerado de galáxias chamado MACS J0717, em 2013, usando dados do CSO (as primeiras observações do efeito SZ feitas no MACS J0018.5 datam de 2006).
O efeito cinético SZ ocorre quando fótons do universo primitivo, a radiação cósmica de fundo (CMB), espalham elétrons no gás quente em seu caminho).
em nossa direção na Terra, os fótons sofrem uma mudança, chamada mudança Doppler, devido aos movimentos dos elétrons nas nuvens de gás ao longo de nossa linha de visão.
Medindo a mudança no brilho da CMB devido a essa mudança, os pesquisadores podem determinar a velocidade das nuvens de gás dentro de aglomerados de galáxias.
Este trecho do poema, escrito por Emily Silich, uma estudante de graduação em astronomia da Caltech, foi inspirado por seus estudos sobre colisões entre aglomerados massivos de galáxias.
A análise de simulações de colisões de aglomerados de galáxias foi executada em centenas de núcleos de computador.
– t = zero: partículas inicializadas, gás definido como ar.
– Dipolos opostos atravessando como um hálito lívido sem suas colisões.
– Magma colorido, desacoplando-se de si mesmo em tumultuosas reviravoltas de mosaicos.
– Uma questão de memória não essencial para épocas definidas por um tempo dentro de outro; Decurso paralelo.
O poema completo foi publicado como parte de uma coleção da Altadena Poetry Review Anthology.
O papel dos observatórios avançados e das perspectivas futuras
“Os efeitos Sunyaev-Zeldovich ainda eram uma ferramenta observacional muito nova quando Jack e eu transformamos pela primeira vez uma nova câmera no CSO em aglomerados de galáxias em 2006, e não tínhamos ideia de que haveria descobertas assim”, diz Sunil Golwala, professor de física e orientador de doutorado do corpo docente de Silich.
“Estamos ansiosos por uma série de novas surpresas quando colocarmos instrumentos de próxima geração no telescópio em sua nova casa no Chile.” Em 2019, os pesquisadores fizeram essas medições cinéticas de SZ em vários aglomerados de galáxias, o que lhes disse o velocidade do gás, ou matéria normal.
Eles também usaram o Keck para aprender a velocidade das galáxias no aglomerado, que lhes disse por procuração a velocidade da matéria escura (porque a matéria escura e as galáxias se comportam de forma semelhante durante a colisão).
Mas nesta fase da investigação, a equipe tinha uma compreensão limitada das orientações dos clusters.
Eles só sabiam que um deles, MACS J0018.5, mostrava sinais de algo estranho acontecendo no gás quente, ou matéria normal, que viajava na direção oposta à matéria escura.
Desafios e avanços na compreensão da matéria escura: “Tínhamos esse estranho completo com velocidades em direções opostas e, a princípio, pensamos que poderia ser um problema com nossos dados.
Mesmo nossos colegas que simulam aglomerados de galáxias não sabiam o que estava acontecendo “, diz Sayers.
“E então Emily se envolveu e desembaraçou tudo.” Durante parte de sua tese de doutorado, Silich abordou o enigma do MACS J0018.5.
Ela recorreu a dados do Observatório de Raios-X Chandra para revelar a temperatura e localização do gás nos aglomerados, bem como o grau em que o gás estava sendo chocado.
“Essas colisões de aglomerados são os fenômenos mais energéticos desde o Big Bang”, diz Silich.
“O Chandra mede as temperaturas extremas do gás e nos conta sobre a idade da fusão e há quanto tempo os aglomerados colidiram.” A equipe também trabalhou com Adi Zitrin, da Universidade Ben-Gurion do Negev, em Israel, para usar dados do Hubble para mapear a matéria escura usando um método conhecido como lente gravitacional.
Além disso, John ZuHone, do Centro de Astrofísica de Harvard & Smithsonian, ajudou a equipe a simular a colisão do aglomerado.
Estas simulações foram usadas em combinação com dados de vários telescópios para determinar a geometria e o estágio evolutivo do encontro do aglomerado.
Os cientistas descobriram que, antes da colisão, os aglomerados moviam-se uns em direção aos outros a aproximadamente 3.000 quilómetros/segundo, o que equivale a cerca de um por cento da velocidade da luz.
Com uma visão mais completa do que estava acontecendo, os pesquisadores conseguiram descobrir por que a matéria escura e a matéria normal pareciam viajar em direções opostas.
Embora os cientistas digam que é difícil de visualizar, a orientação da colisão, juntamente com o fato de a matéria escura e a matéria normal se terem separado uma da outra, explica as estranhas medições de velocidade.
Conclusão e direções para pesquisas futuras: No futuro, os pesquisadores esperam que mais estudos como este levem a novas pistas sobre a natureza misteriosa da matéria escura.
“Este estudo é um ponto de partida para estudos mais detalhados sobre a natureza da matéria escura”, diz Silich.
“Temos um novo tipo de sonda direta que mostra como a matéria escura se comporta de maneira diferente da matéria normal.
Publicado em 28/07/2024 22h56
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