Hubble Detecta os Menores Aglomerados de Matéria Escura

Cada um desses instantâneos do Telescópio Espacial Hubble revela quatro imagens distorcidas de um quasar de fundo em torno do núcleo central de uma galáxia massiva em primeiro plano. A gravidade da enorme galáxia em primeiro plano está agindo como uma lupa distorcendo a luz do quasar em um efeito chamado lente gravitacional. Os astrônomos usaram o efeito de lente gravitacional para detectar os menores aglomerados de matéria escura já encontrados. Os aglomerados estão localizados ao longo da linha de visão do telescópio até os quasares, bem como dentro e ao redor das galáxias de primeiro plano. A presença das concentrações de matéria escura altera o brilho e a posição aparente de cada imagem distorcida do quasar. Os astrônomos compararam essas medidas com previsões de como as imagens do quasar ficariam sem a influência dos aglomerados de matéria escura. Os pesquisadores usaram essas medidas para calcular as massas das pequenas concentrações de matéria escura. A Wide Field Camera 3 do Hubble capturou a luz infravermelha próxima de cada quasar e a dispersou em suas cores componentes para estudo com espectroscopia. As imagens foram tiradas entre 2015 e 2018. Créditos: NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) e T. Treu (UCLA)

Usando o Telescópio Espacial Hubble e uma nova técnica de observação, os astrônomos descobriram que a matéria escura forma aglomerados muito menores do que se calculava anteriormente. Esse resultado confirma uma das previsões fundamentais da teoria da "matéria escura fria" amplamente aceita.
Todas as galáxias, de acordo com essa teoria, formam e estão embutidas nas nuvens de matéria escura. A própria matéria escura consiste em partículas lentas ou "frias" que se juntam para formar estruturas que variam de centenas de milhares de vezes a massa da Via Láctea a aglomerados não mais massivos que o peso de um avião comercial. (Nesse contexto, "frio" refere-se à velocidade das partículas.)
A observação do Hubble fornece novas ideias sobre a natureza da matéria escura e como ela se comporta. "Fizemos um teste de observação para o modelo de matéria escura fria e ele passou com louvor", disse Tommaso Treu, da Universidade da Califórnia, em Los Angeles (UCLA), membro da equipe de observação.
A matéria escura é uma forma invisível de matéria que compõe a maior parte da massa do Universo e cria os alicerces sobre os quais as galáxias são construídas. Embora os astrônomos não possam ver a matéria escura, eles podem detectar sua presença indiretamente, medindo como sua gravidade afeta estrelas e galáxias. Detectar as menores formações de matéria escura procurando estrelas embutidas nelas pode ser difícil ou impossível, porque elas contêm muito poucas estrelas.
Embora concentrações de matéria escura tenham sido detectadas em torno de galáxias grandes e médias, grupos muito menores de matéria escura não foram encontrados até agora. Na ausência de evidências observacionais para esses grupos de pequena escala, alguns pesquisadores desenvolveram teorias alternativas, incluindo "matéria escura quente". Essa ideia sugere que as partículas de matéria escura estão se movendo rapidamente, passando rápido demais para se fundir e formar concentrações menores. As novas observações não apoiam esse cenário, descobrindo que a matéria escura é "mais fria" do que na teoria alternativa da matéria escura quente.
"A matéria escura é mais fria em escalas menores do que pensávamos", disse Anna Nierenberg, do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, em Pasadena, Califórnia, líder da pesquisa. "Os astrônomos já realizaram outros testes observacionais das teorias da matéria escura, mas os nossos fornecem as evidências mais fortes ainda para a presença de pequenos aglomerados de matéria escura fria. Ao combinar as últimas previsões teóricas, ferramentas estatísticas e novas observações do Hubble, agora temos um resultado muito mais robusto do que era possível anteriormente".
Caçar concentrações de matéria escura sem estrelas provou ser um desafio. A equipe de pesquisa do Hubble, no entanto, usou uma técnica na qual eles não precisavam procurar a influência gravitacional das estrelas como rastreadores da matéria escura. A equipe mirou oito "candeeiros" cósmicos poderosos e distantes, chamados quasares (regiões em torno de buracos negros ativos que emitem enormes quantidades de luz). Os astrônomos mediram como a luz emitida pelo oxigênio e gás neon orbitando cada um dos buracos negros dos quasares é distorcida pela gravidade de uma galáxia massiva em primeiro plano, que age como uma lente de aumento.
Usando esse método, a equipe descobriu grupos de matéria escura ao longo da linha de visão do telescópio até os quasares, bem como dentro e ao redor das galáxias em primeiro plano. As concentrações de matéria escura detectadas pelo Hubble são 1/10.000 a 1/100.000 vezes a massa do halo de matéria escura da Via Láctea. Muitos desses pequenos agrupamentos provavelmente não contêm nem mesmo galáxias pequenas e, portanto, seriam impossíveis de serem detectados pelo método tradicional de procurar estrelas embutidas.
Os oito quasares e galáxias estavam alinhados tão precisamente que o efeito de distorção, chamado lente gravitacional, produziu quatro imagens distorcidas de cada quasar. Tais imagens quádruplas de quasares são raras por causa do alinhamento quase exato necessário entre a galáxia em primeiro plano e o quasar em segundo plano. No entanto, os pesquisadores precisaram de várias imagens para realizar uma análise mais detalhada.
A presença de aglomerados de matéria escura altera o brilho e a posição aparentes de cada imagem de quasar distorcida. Os astrônomos compararam essas medidas com previsões de como as imagens do quasar ficariam sem a influência da matéria escura. Os pesquisadores usaram as medidas para calcular as massas das pequenas concentrações de matéria escura. Para analisar os dados, os pesquisadores também desenvolveram elaborados programas de computação e técnicas intensivas de reconstrução.

Gráfico ilustrativo mostrando um quasar sendo distorcido em quatro imagens por uma galáxia em primeiro plano com um aglomerado de matéria escura alterando o brilho e posição aparente de cada imagem. Créditos: NASA, ESA e D. Player (STScI)

"Imagine que cada uma dessas oito galáxias é uma lupa gigante", explicou o membro da equipe Daniel Gilman, da UCLA. "Pequenos aglomerados de matéria escura agem como pequenas rachaduras na lupa, alterando o brilho e a posição das quatro imagens do quasar em comparação com o que você esperaria ver se o vidro fosse liso".
Os pesquisadores usaram a câmera 3 de campo amplo do Hubble para capturar a luz infravermelha próxima de cada quasar e dispersá-la em suas cores componentes para estudo com espectroscopia. Emissões únicas dos quasares de fundo são mais vistas na luz infravermelha. "As observações do Hubble do espaço nos permitem fazer essas medições em sistemas galácticos que não seriam acessíveis com a menor resolução de telescópios terrestres - e a atmosfera da Terra é opaca à luz infravermelha que precisamos observar", explicou Simon Birrer, membro da equipe UCLA.
Treu acrescentou: "É incrível que, após quase 30 anos de operação, o Hubble permita visões de ponta da física fundamental e da natureza do Universo com que nem sonhamos quando o telescópio foi lançado".
As lentes gravitacionais foram descobertas examinando pesquisas terrestres, como o Sloan Digital Sky Survey e o Dark Energy Survey, que fornecem os mapas tridimensionais mais detalhados do Universo já feitos. Os quasares estão localizados a aproximadamente 10 bilhões de anos-luz da Terra e as galáxias em primeiro plano, cerca de 2 bilhões de anos-luz.
O número de pequenas estruturas detectadas no estudo oferece mais pistas sobre a natureza da matéria escura.  "Isso significa que você pode aprender sobre a física das partículas da matéria escura contando o número das pequenas estruturas", explicou Nierenberg.
No entanto, o tipo de partícula que compõe a matéria escura ainda é um mistério. "No momento, não há evidências diretas no laboratório de que existam partículas de matéria escura", disse Birrer. "Os físicos de partículas nem sequer falavam sobre matéria escura quando os cosmólogos as teorizaram, com base em observações de seus efeitos. Quando nós cosmólogos falamos sobre matéria escura, estamos perguntando "como ela governa a aparência do Universo, E em que escalas? ''.
Os astrônomos poderão realizar estudos de acompanhamento da matéria escura usando futuros telescópios espaciais da NASA, como o Telescópio Espacial James Webb e o Telescópio de Pesquisa por Infravermelho de Campo Largo (WFIRST), ambos observatórios de infravermelho. Webb será capaz de obter eficientemente essas medições para todos os quasares de lente quadruplicada conhecidos. A nitidez e o amplo campo de visão do WFIRST ajudarão os astrônomos a fazer observações de toda a região do espaço afetada pelo imenso campo gravitacional de galáxias massivas e aglomerados de galáxias. Isso ajudará os pesquisadores a descobrir muito mais desses sistemas raros.

Fonte: NASA