A busca por galáxias anãs invisíveis

Encontrar mais galáxias anãs "invisíveis" poderia ajudar os astrônomos a resolver uma das maiores questões: do que é feito o Universo?

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Artigo traduzido de BBC. Autor: Marcus Woo.

Yashar Hezaveh tinha ouvido os rumores. Agora, se sentando na segunda fila, ele estava prestes a saber se elas eram verdadeiras.

Astrônomos como ele encheram a sala. Era um dia frio e sombrio de janeiro em 2015, em Seattle, e eles foram assistir a uma das maiores conferências de astronomia do mundo. Eles queriam olhas as primeiras imagens tiradas com o novo telescópio ALMA, uma série de 66 antenas de rádio dispostas a 5000 metros acima do nível do mar no deserto do Atacama no Chile.

Essas primeiras fotos mostraram a capacidade do telescópio. Uma dessas imagens em alta resolução que Hezaveh tinha ouvido falar revelaria SDP81, uma galáxia a 12 bilhões de anos luz de distância, vista pela primeira vez como uma mancha pelo Observatório Espacial Herschel em 2010.

A questão principal de Hezaveh, pesquisador da Universidade de Stanford nos EUA, era a qualidade das novas imagens. Durante anos, ele utilizou computadores para simular como galáxias como SDP81 apareceriam para o ALMA, o Atacama Large Millimetre/submillimetre Array. E ele precisava saber se suas simulações eram precisas.

Se assim fosse, então ele e sua equipe estariam no negócio. Os astrônomos estavam caçando pequenas galáxias anãs que poderiam estar escondidas em imagens como esta. Galáxias anãs são praticamente invisíveis, mas a sua gravidade poderia deixar uma marca extremamente sutil. “Nós não vemos essas anãs, mas sabemos que elas estão lá por causa da gravidade – o que eu acho muito legal se você me perguntar”, diz Tommaso Treu, astrônomo da Universidade da Califórnia, Los Angeles, nos EUA.

Saber se estas galáxias anãs existem – e se existirem, quantas são – é crucial para resolver um dos maiores enigmas cósmicos: que material compõe o Universo? Também está em jogo a (talvez) melhor teoria até hoje de como o universo surgiu. Apesar de décadas de sucesso, a teoria ainda tem pontos de interrogação. E galáxias anãs podem conter as respostas.

O telescópio Alma tem 66 antenas de rádio a 5000 metros acima do nível do mar no Deserto do Atacama no Chile (Crédito: Christoph Malin / ESO)
O telescópio Alma tem 66 antenas de rádio a 5000 metros acima do nível do mar no Deserto do Atacama no Chile (Crédito: Christoph Malin / ESO)

Quando você pensa em galáxias, provavelmente você imagina algo como a nossa Via Láctea: um disco espiral com várias centenas de bilhões de estrelas: um enorme cata-vento celeste.

As galáxias anãs, por outro lado, são diferentes. Elas são pequenas e fracas, e às vezes apenas um bando de estrelas dispersas.

Embora as galáxias anãs podem estar isoladas, flutuando solitárias no espaço, elas também podem se esconder em torno de galáxias maiores, as orbitando como luas em torno de planetas.

A Via Láctea, por exemplo, tem cerca de 50 dessas companheiras. Também chamadas de galáxias satélites, elas são relativamente pequenas, cerca de 10.000 vezes menores que a Via Láctea, contendo apenas alguns milhares de estrelas.

Como em todas as galáxias, as estrelas são envolvidos em uma grande bolha de matéria escura, o material desconhecido que compreende cerca de um quarto do Universo. A matéria escura é responsável pela maior parte da massa da galáxia anã, formando a cola gravitacional que mantém a galáxia unida.

O Alma pode tirar fotos de galáxias a bilhões de anos-luz de distância (Crédito: Alma / ESO)
O Alma pode tirar fotos de galáxias a bilhões de anos-luz de distância (Crédito: Alma / ESO)

As maiores galáxias satélites da Via Láctea são a Grande e Pequena Nuvem de Magalhães, que aparecem como duas manchas difusas a olho nu. As outras galáxias satélite, no entanto, são pequenas e fracas, detectáveis apenas com telescópios.

Astrônomos encontraram um punhado delas em meados do século 20, mas a maioria permaneceu invisível até a última década, quando modernas pesquisas astronômicas descobriram dezenas.

Esta foi uma revelação notável. No final de 1990, antes de encontrarmos tantas delas, os astrônomos estavam em uma crise, diz Treu. As simulações de computador estavam revelando uma discrepância entre o número de galáxias satélites que os astrônomos viram e o que foi previsto pela premiada teoria da cosmologia: a matéria escura fria (CDM).

A matéria escura, como postula a teoria, é fria: as suas partículas se movem pelo espaço lentamente (neste caso, muito mais lentamente que a luz). Pelo fato delas não estarem se movendo rapidamente no início do Universo, a gravidade poderia encurrala-las em pequenos aglomerados densos. Estes grupos, eventualmente, atraíram gás necessário para formar estrelas e se tornaram galáxias anãs. Com o tempo, essas anãs se fundiram e se tornaram grandes galáxias como a Via Láctea.

“A matéria escura fria, fundamentalmente, é uma teoria que diz que pequenas coisas se formaram primeiro”, diz James Bullock, astrofísico da Universidade da Califórnia, Irvine. “Eles fundiram se para formar coisas maiores ao longo do tempo”.

Imagem de alta resolução do Alma revela a poeira brilhante dentro da galáxia distante SDP81. (Crédito: ALMA / NRAO / ESO / NAOJ)
Imagem de alta resolução do Alma revela a poeira brilhante dentro da galáxia distante SDP81. (Crédito: ALMA / NRAO / ESO / NAOJ)

Se esse for o caso, você tem um monte de pequenos aglomerados e um menor número de grandes aglomerados. Na verdade, quanto menor os aglomerados, mais abundantes devem ser.

Até agora, a teoria tem sido muito bem sucedida em predizer o número correto e as massas dos grandes aglomerados: grandes galáxias e aglomerados de galáxias. Mas os astrônomos ainda precisam confirmar as previsões da teoria sobre os pequenos aglomerados e galáxias anãs.

Em particular, milhares ou mesmo centenas de milhares de galáxias anãs poderiam estar em torno de grandes galáxias como a Via Láctea, orbitando-as antes de se fundir. Em torno de outras galáxias distantes, essas anãs seriam extremamente pequenas e fracas para qualquer telescópio. Mas mesmo em torno da Via Láctea, os astrônomos tinham encontrado apenas um punhado delas, uma discrepância que se tornou conhecida como o problema das satélites perdidas.

Ao longo das últimas duas décadas, a lacuna entre teoria e observação diminuiu quando as observações começaram a localizar mais satélites. Mas embora a crise tenha diminuído, ele não tinha acabado.

“Algumas pessoas estavam dizendo: problema resolvido. Não precisamos nos preocupar com isso,[satélites] existem, só precisamos saber como encontrá-las”, disse Treu. O problema era que “nós não encontramos as milhares ou centenas de milhares que precisávamos encontrar”.

Uma simulação de computador mostra como aglomerados de matéria escura (branco) seriam (Crédito: Via Lactea Project / NASA)
Uma simulação de computador mostra como aglomerados de matéria escura (branco) seriam (Crédito: Via Lactea Project / NASA)

Se as galáxias satélites não existirem, então a CDM poderia estar errada, ou pelo menos incompleta. “É por isso que a previsão é tão poderosa, por que encontrá-las vai ser muito importante”, diz Bullock. “Você realmente está testando o que a matéria escura fria significa”.

Outra possibilidade, que não requer derrubar ou alterar a CDM, é que as galáxias satélites estejam realmente lá fora, mas não têm estrelas suficientes para serem vistas. Afinal, a única teoria prevê a existência de pequenas e escuros aglomerados sem estrelas chamados subhalos.

As galáxias anãs são simplesmente subhalos com estrelas, mas quantas estrelas – se houver – se formaram nesses aglomerados é outro problema complicado.

A maneira mais direta para testar essa previsão da CDM é ir atrás dos aglomerados, independentemente de terem ou não estrelas. A única maneira de encontrar essas manchas escuras é medindo a influência da sua gravidade em seus arredores.

Ao redor da Via Láctea, por exemplo, uma fina corrente de estrelas sendo arrancadas de outra galáxia satélite pode indicar a presença de um subhalo ou galáxia satélite próxima. Mas esses fluxos são tão finos e fracos que são difíceis de observar.

Lente gravitacional da SDP81. (Crédito: ALMA / NRAO / ESO / NAOJ)
Lente gravitacional da SDP81. (Crédito: ALMA / NRAO / ESO / NAOJ)

Para avaliar melhor a existência de subhalos e galáxias anãs, os astrônomos devem procurá-los em torno de outras galáxias. Nesse caso, Hezaveh diz, o único método possível será o de desmembrar como sua gravidade dobra a luz.

Depois de esperar, Hezaveh finalmente viu o que foi ver. Assim como os rumores diziam, o ALMA tinha capturado uma imagem de SDP81, revelando dois arcos brilhantes que pareciam quase como chamas.

A luz da galáxia estava sendo distorcida pela gravidade de uma galáxia mais próxima, em primeiro plano. Agindo como uma lente gigante, a gravidade iluminou SDP81, deformando sua aparência em um arco, e, neste caso, dividindo a imagem da galáxia em duas.

A resolução da nova imagem era tão boa quanto as simulações de Hezaveh. “Isso foi incrível”, lembra ele. “Esse foi um momento muito poderoso para mim”.

A imagem foi visível apenas por alguns segundos, apenas o tempo suficiente para ele tirar uma foto. Imediatamente, ele enviou a foto para seus colegas.

Renderização artística do ALMA Array.(Crédito: ALMA/ESO/NAOJ/NRAO)
Renderização artística do ALMA Array.(Crédito: ALMA/ESO/NAOJ/NRAO)

Hezaveh sabia que, com dados desta qualidade, ele seria capaz de encontrar um subhalo evasivo. Se existisse um ao redor da galáxia em primeiro plano, em seguida, sua gravidade adicionaria outra camada de distorção, como uma gota de água em uma lente. Mas essas distorções são tão sutis que requerem cálculos sofisticados para encontrá-las.

Durante o ano passado, Hezaveh e seus colegas usaram estas técnicas para analisar a SDP81. Ao comparar as observações com as simulações, os pesquisadores puderam deduzir a existência de um subhalo e a sua massa. Ei e eis que eles descobriram um subhalo pesando cerca de um bilhão de sóis.

“É uma grande conquista técnica, computacional e científica”, diz Treu, que não fazia parte da equipe.

Não é a primeira vez que os astrônomos usaram lentes gravitacionais para encontrar subhalos. Mas o que difere desta última descoberta é que ela usou o novo e poderoso telescópio ALMA, que detecta luz em comprimentos de onda mais longos do que o infravermelho. Essa radiação emana da poeira quente que enche a galáxia SDP81.

O ALMA levou muito tempo para ser construído, aqui metade dos 66 eventuais antenas estão visíveis (Crédito: ALMA / ESO / NAOJ / NRAO / C Padilla)
O ALMA levou muito tempo para ser construído, aqui metade dos 66 eventuais antenas estão visíveis (Crédito: ALMA / ESO / NAOJ / NRAO / C Padilla)

A galáxia em primeiro plano, no entanto, não tem poeira, o que a torna invisível para o ALMA. Sem o brilho da galáxia em primeiro plano, os astrônomos podem analisar a galáxia ao fundo com mais precisão, fazendo medições com uma sensibilidade sem precedentes.

Fundamentalmente, os pesquisadores puderam usar seu método para detectar outros subhalos menores; os pesos leves ainda a serem descobertos que o CDM prevê.

Em particular, os pesquisadores mostraram que poderiam, em princípio, encontrar subhalos com massa de apenas 10 milhões de vezes a do Sol, 100 vezes mais leve do que o que eles encontraram. “Este é o regime em que as coisas começam a ficar interessantes”, diz Treu.

Isso porque existem teorias concorrentes de matéria escura que fazem previsões muito diferentes sobre quantos desses subhalos de menor massa podem existir, diz Hezaveh.

A Via Láctea vista pelo ALMA (Crédito: ALMA / ESO / NAOJ / NRAO / C Padilla)
A Via Láctea vista pelo ALMA (Crédito: ALMA / ESO / NAOJ / NRAO / C Padilla)

Por exemplo, digamos que a matéria escura é quente em vez de fria. Por definição, isso significa que as partículas de matéria escura se movimentavam mais rapidamente no início do Universo, agitadas demais para entrar em colapso em pequenos aglomerados. Ao medir a abundância de pequenos aglomerados atuais, os astrônomos podem deduzir se a matéria escura é quente ou fria.

“Se você encontrar um monte desses aglomerados escuros, certamente você iria colocar o prego no caixão da matéria escura quente”, diz Bullock. “Iria realmente sugerir que algo como a matéria escura fria é a verdade.”

Mas para encontrar mais subhalos, os astrônomos precisam de mais lentes gravitacionais das galáxias. Até agora, porém, a busca usando lentes gravitacionais tem estado estagnada, exibindo apenas um par de subhalos. Agora as coisas podem mudar.

“Estamos animados porque esta é a primeira lente que estudamos e ela é exatamente tão sensível quanto pensávamos”, diz Hezaveh. A galáxia em si também revelou uma estrutura aglomerada, proporcionando a imagem texturizada que Hezaveh necessitava para discernir pequenas distorções de um subhalo de baixa massa.

“No momento que eu vi aqueles arcos incrivelmente finos e estendidos e pequenos aglomerados na fonte, eu sabia que algo muito emocionante iria sair dela”, lembra ele. E se essa primeira era tão boa, em seguida, outros podem ser tão sensível, ou talvez mais.

“É uma peça incrível de trabalho, e está finalmente a começando a se pagar”, diz Treu. “Este é apenas o começo”.

O ALMA pode descobrir muitos segredos. (Crédito: ALMA / ESO / NAOJ / NRAO / J Guarda)
O ALMA pode descobrir muitos segredos. (Crédito: ALMA / ESO / NAOJ / NRAO / J Guarda)

Apenas alguns anos atrás, os astrônomos só conheciam de cerca de 150 sistemas de lentes gravitacionais, mas o número está crescendo rapidamente. No último par de anos, Hezaveh e seus colegas usaram o Telescópio do Polo Sul para descobrir cerca de 150 outras, e espera-se encontrar outras centenas com outros telescópios.

O ALMA, entretanto, é mais adequado para observações detalhadas de acompanhamento. Assim, a equipe de Hezaveh quer apontar o telescópio para estes sistemas recém-descobertos e procurar mais subhalos. Ao analisar mais galáxias ao longo dos próximos anos, ele espera ter dados suficientes para resolver o problema das galáxias satélites desaparecidas e compreender melhor o mistério da matéria escura.

“Essa vai ser a idade de ouro dessa abordagem”, diz Bullock. “Os próximos anos serão muito emocionantes”.

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