É bem sabido que a expansão do universo está se acelerando devido a uma misteriosa energia escura. Dentro das galáxias, as estrelas também experimentam uma aceleração, embora isso seja devido a alguma combinação de matéria escura e densidade estelar. Em um novo estudo a ser publicado no Astrophysical Journal Letters, os pesquisadores obtiveram a primeira medição direta da aceleração média que ocorre em nossa galáxia, a Via Láctea. Liderada por Sukanya Chakrabarti no Institute for Advanced Study com colaboradores do Rochester Institute of Technology, University of Rochester e University of Wisconsin-Milwaukee, a equipe usou dados de pulsar para cronometrar as acelerações radiais e verticais de estrelas dentro e fora do plano galáctico . Com base nessas novas medições de alta precisão e na quantidade conhecida de matéria visível na galáxia, os pesquisadores foram capazes de calcular a densidade de matéria escura da Via Láctea sem fazer a suposição usual de que a galáxia está em um estado estacionário.
“Nossa análise não só nos dá a primeira medição das pequenas acelerações experimentadas por estrelas na galáxia, mas também abre a possibilidade de estender este trabalho para entender a natureza da matéria escura e, finalmente, da energia escura em escalas maiores”, afirmou Chakrabarti , o autor principal do artigo e atual membro e bolsista IBM Einstein no Institute for Advanced Study.
As estrelas disparam pela galáxia a centenas de quilômetros por segundo, mas este estudo indica que a mudança em suas velocidades está ocorrendo literalmente no ritmo de um caracol – alguns centímetros por segundo, que é quase a mesma velocidade de um bebê engatinhando. Para detectar esse movimento sutil, a equipe de pesquisa contou com a habilidade ultraprecisa de manter o tempo dos pulsares que são amplamente distribuídos por todo o plano e halo galácticos – uma região esférica difusa que circunda a galáxia.
“Explorando as propriedades únicas dos pulsares, fomos capazes de medir acelerações muito pequenas na Galáxia. Nosso trabalho abre uma nova janela na dinâmica galáctica”, disse o co-autor Philip Chang, da Universidade de Wisconsin-Milwaukee.
Estendendo-se aproximadamente 300.000 anos-luz do centro da galáxia, o halo pode fornecer dicas importantes para a compreensão da matéria escura, que é responsável por cerca de 90 por cento da massa da galáxia e é altamente concentrada acima e abaixo do plano galáctico denso de estrelas. O movimento estelar nesta região específica – um foco principal deste estudo – pode ser influenciado pela matéria escura. Utilizando as medições de densidade local obtidas por meio deste estudo, os pesquisadores agora terão uma ideia melhor de como e onde procurar por matéria escura.
Embora estudos anteriores tenham assumido um estado de equilíbrio galáctico para calcular a densidade de massa média, esta pesquisa é baseada no estado natural de não equilíbrio da galáxia. Pode-se fazer uma analogia com a diferença entre a superfície de um lago antes e depois que uma pedra é lançada. Ao levar em conta as “ondulações”, a equipe foi capaz de obter uma imagem mais precisa da realidade. Embora neste caso, em vez de pedras, a Via Láctea seja influenciada por uma história turbulenta de fusões galácticas e continue a ser perturbada por galáxias anãs externas como as Pequenas e Grandes Nuvens de Magalhães. Como resultado, as estrelas não têm órbitas planas e tendem a seguir um caminho semelhante ao de um disco de vinil deformado, cruzando acima e abaixo do plano galáctico. Um dos principais fatores que possibilitaram essa abordagem de observação direta foi o uso de dados de pulsar compilados de colaborações internacionais, incluindo o NANOGrav (Observatório Nanohertz Norte-Americano para Ondas Gravitacionais), que obteve dados dos telescópios Green Bank e Arecibo.
Este documento marcante expande o trabalho de Jan H. Oort (1932); John Bahcall (1984); Kuijken e Gilmore (1989); Holmberg e Flynn (2000); Jo Bovy & Scott Tremaine (2012) para calcular a densidade de massa média no plano galáctico (limite de Oort) e a densidade de matéria escura local. Estudiosos do IAS, incluindo Oort, Bahcall, Bovy, Tremaine e Chakrabarti, desempenharam um papel importante no avanço desta área de pesquisa.
“Durante séculos, os astrônomos mediram as posições e velocidades das estrelas, mas elas fornecem apenas um instantâneo do complexo comportamento dinâmico da galáxia da Via Láctea”, afirmou Scott Tremaine, professor emérito do Instituto de Estudos Avançados. “As acelerações medidas por Chakrabarti e seus colaboradores são causadas diretamente pelas forças gravitacionais da matéria na galáxia, tanto visíveis quanto escuras, e assim fornecem uma janela nova e promissora sobre a distribuição e composição da matéria na galáxia e no universo.”
Este artigo específico possibilitará uma ampla variedade de estudos futuros. Medições precisas de acelerações também serão possíveis em breve usando o método de velocidade radial complementar que Chakrabarti desenvolveu no início deste ano, que mede a mudança na velocidade das estrelas com alta precisão. Este trabalho também permitirá simulações mais detalhadas da Via Láctea, melhorará as restrições da relatividade geral e fornecerá pistas na busca pela matéria escura. Extensões desse método podem nos permitir medir diretamente a aceleração cósmica também.
Embora uma imagem direta de nossa galáxia natal – semelhante às da Terra tiradas pelos astronautas da Apollo – ainda não seja possível, este estudo forneceu novos detalhes essenciais para ajudar a visualizar a organização dinâmica da galáxia de dentro.
Publicado em 15/01/2021 21h24
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