A Explosão na Ciência das Galáxias Anãs

Galáxias são normalmente imaginadas como espirais gigantes cheias de bilhões e trilhões de estrelas. Mas algumas galáxias, chamadas galáxias anãs, podem ter apenas algumas centenas de sóis.

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Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova

Original por Symmetry Magazine

A recente descoberta de 20 potenciais novas galáxias anãs engatilho uma explosão na ciência desses objetos pouco luminosos, que são preciosas ferramentas para estudar matérias escura, formação de galáxia e a história cósmica.

Dez anos atrás, apenas uma dúzia de galáxias anãs eram conhecidas. Esse numero dobrou rapidamente depois do começo da segunda fase da Sloan Digital Sky Survey (SDSS-II) em 2005. O SDSS-II tirou fotos melhores que nunca do céu, e pesquisadores começaram a usar programas de computador para identificar galáxias anãs nas fotos.

O número de possíveis galáxias anãs teve um salto recentemente, em boa parte devido aos dois primeiro anos da nova Dark Energy Survey (DES – Pesquisa em Energia Escura), que pode ver objetos até 10 vezes menos luminosos. O número total de galáxias anãs conhecidas orbitando nossa Via Láctea – nem todas confirmadas como galáxias ainda – está em torno de 50 atualmente.

“O número exato está sendo atualizado quase que semanalmente nos últimos meses”, diz Keith Bechtol da Universidade de Wisconsin, Madison, um dos autores principais de dois artigos do DES, publicados em março e em agosto,   anunciando a descoberta de possíveis galáxias satélites. “Esses são tempo verdadeiramente excitantes para esse tipo de pesquisa.”

Luzes fracas para pesquisa de Matéria Escura

Em geral, o termo “galáxia anã” se refere a galáxias que são menores que um décimo do tamanho da via láctea, que é feita de 100 bilhões de estrelas. Então nem todas as galáxias anãs são tão anãs assim. Na verdade , dois desses objetos no céu noturno do sul, chamados Nuvens de Magalhães, são tão grandes que são visíveis a olho nu.

Entretanto, pesquisadores estão particularmente interessados nas galáxias anãs menos luminosas. Elas são excelentes laboratórios para se estudar matéria escura – a matéria invisível que é 5 vezes mais prevalecente do que sua contraparte visível mas a qual mantém sua natureza misteriosa.

A melhor aposta dos cientistas é que ela é composta de partículas fundamentais, com hipotética interação fraca com partículas massivas, ou WIMPs, como principais concorrentes. Pesquisados pensam que WIMPs podem produzir raios gama quando decaem ou se aniquilam no espaço. Eles estão buscando por essa radiação com telescópios sensíveis a raios gama.

Galáxias anãs muito pálidas orbitando a Via Láctea são os alvos ideais para essa pesquisa por duas razões. Primeiro, porque elas tem altas razões de matéria escura para matéria normal e estão próximas de nós, essas poderiam produzir sinais detectáveis de matéria escura.

“Os movimentos das estrelas em galáxias com pouca luminosidade são tão rápidas que são melhores explicadas se houver entre 100 e 1000 vezes mais matérias escura do que as massas de todas as estrelas juntas,” diz Bechtol.

Segundo, essas são as galáxias mais velhas conhecidas. Seus dias mais movimentados estão no passado; a maioria formou suas estrelas a mais de 10 bilhões de anos atrás. Isso, junto com o fato de que tem poucas estrelas e gases, fazem delas objetos bastante “claros” para busca de matéria escura.

Por contraste, no muito mais novo centro galático rico em matéria escura da Via Láctea, estrelas estão ainda se formando e muitos outros processos astrofísicos estão produzindo sinais radiação gama que poderiam obscurecer sinais de matéria escura.

“Se nós víssemos raios gama vindo dessas galáxias pouco luminosas, seria um sinal de fumaça da matéria escura”, diz a pesquisadora Andrea Alberta do Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, uma instituição conjunta da universidade de Stanford e do acelerador SLAC. Ela está envolvida com a análise de matéria escura recentemente descoberta em uma candidata a galáxia anã  do DES com o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi.

Nenhum sinal convincente de WIMPs já foi detectado vindo de galáxias anãs, incluindo das mais recentes candidatas a galáxias anãs do DES, como resultados preliminares apresentados na conferência: 2015 Topics in Astroparticle and Underground Physics, em Torino, Itália, sugerem.

Mas mesmo a falta de sinais é progresso pois isso impõe limites sobre o que matéria escura pode e não pode fazer.

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Pesquisadores também estudam galáxias anãs porque esperam aprender sobre a história dos nossos vizinhos galáticos e a formação das galáxias como a nossa própria.

Modelos atuais sugerem que galáxias não começam como objetos enormes com um zilhão de estrelas, mas como estruturas pequenas que se fundem em maiores. Galáxias anãs estão no começo dessa hierarquia e se acredita que são os blocos construtores de galáxias maiores.

“A forma de como vemos a Via Láctea e seus satélites hoje é apenas uma foto no tempo”, diz a astrônoma Marla Geha da Universidade de Yale. “Nossa própria galáxia é uma mistura de galáxias menores, e ainda está se juntando com outros.”

Em outras palavras, a Via Láctea em si poderia ter começado como uma galáxia anã com apenas alguma centenas ou milhares de estrelas. Hoje, é uma grande galáxia, e simulações sugerem que entre 4 e 5 bilhões de anos a Via Láctea vai se fundir com a galáxia Andrômeda, a mais próxima e maior galáxia na nossa vizinhança cósmica.

Mas galáxias anãs podem nos dar insight em mais do que apenas nossa vizinhança local. Por melhor entender galáxias anãs, pesquisadores podem também estudar a evolução de todo o universo.

Como matéria escura é abundante e interage gravitacionalmente com sigo mesma e com matéria regular, ela tem influenciado o cosmos e suas estruturas desde o Big Bang. Na verdade, nós sabemos hoje que galáxias estão envoltas em aglomerados, ou anéis, de matéria escura que se formaram no universo em expansão. Esses anéis, por sua vez, estão envoltos por anéis menores que contém galáxias anãs satélites.

“A descoberta de um número crescente de galáxias anãs é excitante pois nossa teoria cosmológica prediz que a Via Láctea tem algumas centenas delas.” Diz Geha. “Se nós não encontrarmos satélites suficientes, nós precisaremos ajustar nossos modelos. Entretanto, considerando que nós não examinamos pelo céu inteiro ainda e nem buscamos muito profundamente, estamos, na maior parte, seguindo as predições.”

Algumas das galáxias anãs descobertas pelo DES mais cedo esse ano (2015) poderiam potencialmente orbitar as Nuvens de Magalhães, o maior satélite da Via Láctea. Se confirmado, o resultado seria bastante fascinante, diz Risa Wechsler, pesquisadora da KIPAC.

“Satélites de satélites são uma predição do nosso modelo de matéria escura,” diz ela. “Ou estamos vendo esse tipo de sistema pela primeira vez, ou existe algo que não entendemos sobre como esses satélites de galáxias estão distribuídos no céu.”

Uma Visão Cada Vez Melhor

Até então, o estudo de galáxias anãs tem sido em maior parte limitado aos satélites da nossa própria Via Láctea, e pesquisadores acreditam que muito poderia ser aprendido estudando galáxias mais distantes.

“Uma pergunta que gostaríamos de responder é por que as galáxias anãs menos luminosas são tão extremas em tamanho, idade, e conteúdo de matéria escura,” diz Geha.”Isso é porque as que podemos observar são afetadas pela proximidade da Via Láctea, ou essas propriedades são comuns a todas as galáxias anãs do universo?”

Para o teste final, pesquisadores querem poder detectar até mesmo os mais pálidos objetos e olhar mais longe no espaço do que pode o DES. Eles serão capazes de fazer isso uma vez que o Large Synoptic Survey Telescope (LSST) iniciar seu trabalho em 2022. O Telescópio tem uma camera de 3.2-gigapixel que irá produzir as imagens mais profundas do céu noturno já observadas.

E se isso não é suficiente, a NASA está planejando uma missão espacial chamada Wide Field Infrared Survey Telescope, que poderia observar galáxias anãs super-pálidas que não seriam observadas nem pelos olhos observadores do LSST.

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