Galáxias brilhantes colocam a matéria escura à prova

Durante o último ano e meio, o Telescópio Espacial James Webb forneceu imagens surpreendentes de galáxias distantes formadas não muito depois do Big Bang, dando aos cientistas os primeiros vislumbres do universo infantil. Agora, um grupo de astrofísicos aumentou a aposta: encontre as galáxias mais pequenas e brilhantes perto do início dos tempos, ou os cientistas terão de repensar totalmente as suas teorias sobre a matéria escura.

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A equipe, liderada por astrofísicos da UCLA, realizou simulações que rastreiam a formação de pequenas galáxias após o Big Bang e incluíram, pela primeira vez, interações anteriormente negligenciadas entre o gás e a matéria escura. Eles descobriram que as galáxias criadas são muito pequenas, muito mais brilhantes e se formam mais rapidamente do que em simulações típicas que não levam em conta essas interações, revelando, em vez disso, galáxias muito mais fracas.

Galáxias pequenas, também chamadas de galáxias anãs, estão presentes em todo o universo e muitas vezes são consideradas o tipo mais antigo de galáxia. As pequenas galáxias são, portanto, especialmente interessantes para os cientistas que estudam as origens do universo. Mas as pequenas galáxias que encontram nem sempre correspondem ao que pensam que deveriam encontrar. Aquelas mais próximos da Via Láctea giram mais rápido ou não são tão densas como nas simulações, indicando que os modelos podem ter omitido algo, como essas interações gás-matéria escura.

A nova investigação, publicada no The Astrophysical Journal Letters, melhora as simulações ao adicionar interações da matéria escura com o gás e descobre que estas galáxias tênues podem ter sido muito mais brilhantes do que o esperado no início da história do Universo, quando estavam apenas começando a se formar. Os autores sugerem que os cientistas deveriam tentar encontrar pequenas galáxias que sejam muito mais brilhantes do que o esperado usando telescópios como o telescópio Webb. Se encontrarem apenas os mais fracos, então algumas das suas ideias sobre a matéria escura podem estar erradas.

A matéria escura é um tipo de matéria hipotética que não interage com o eletromagnetismo ou a luz. Assim, é impossível observar usando óptica, eletricidade ou magnetismo. Mas a matéria escura interage com a gravidade, e a sua presença foi inferida a partir dos efeitos gravitacionais que exerce sobre a matéria comum – a matéria que constitui todo o universo observável. Embora se pense que 84% da matéria do Universo seja constituída por matéria escura, esta nunca foi detectada diretamente.

Todas as galáxias estão rodeadas por um vasto halo de matéria escura, e os cientistas pensam que a matéria escura foi essencial para a sua formação. O “modelo cosmológico padrão” que os astrofísicos usam para compreender a formação de galáxias descreve como aglomerados de matéria escura no universo primitivo atraíram matéria comum através da gravidade, causando a formação de estrelas e criando as galáxias que vemos hoje. Como se pensa que a maioria das partículas de matéria escura – chamada matéria escura fria – se move muito mais lentamente do que a velocidade da luz, este processo de acumulação teria ocorrido gradualmente.

Mas há mais de 13 mil milhões de anos, antes da formação das primeiras galáxias, a matéria comum, constituída por hidrogênio e gás hélio do Big Bang, e a matéria escura moviam-se uma em relação à outra. O gás fluiu em velocidades supersônicas passando por densos matagais de matéria escura que se movia mais lentamente e que deveriam tê-lo puxado para formar galáxias.

“De fato, em modelos que não levam em consideração o efeito de fluxo contínuo, isso é exatamente o que acontece”, disse Claire Williams, uma estudante de doutorado da UCLA e a primeira autora do artigo. “O gás é atraído pela atração gravitacional da matéria escura, forma aglomerados e nós tão densos que a fusão de hidrogênio pode ocorrer, e assim formam estrelas como o nosso sol.”

No entanto, Williams e coautores no time do Supersonic Project, um grupo de astrofísicos dos Estados Unidos, Itália e Japão liderado pela professora de física e astronomia da UCLA, Smadar Naoz, descobriram que se adicionassem o efeito de fluxo de diferentes velocidades entre a matéria escura e a matéria comum às simulações, o gás acabava se afastando da matéria escura e era impedido de formar estrelas imediatamente.

Quando o gás acumulado voltou para a galáxia, milhões de anos depois, ocorreu uma explosão massiva de formação de estrelas de uma só vez. Como essas galáxias tiveram muito mais estrelas jovens, quentes e luminosas do que as pequenas galáxias comuns durante algum tempo, elas brilharam muito mais intensamente.

“Embora o fluxo tenha suprimido a formação de estrelas nas galáxias mais pequenas, também impulsionou a formação de estrelas nas galáxias anãs, fazendo com que ofuscassem as áreas sem fluxo do Universo”, disse Williams.

“Prevemos que o telescópio Webb será capaz de encontrar regiões do universo onde as galáxias serão mais brilhantes, aumentadas por esta velocidade. O fato de serem tão brilhantes pode tornar mais fácil para o telescópio descobrir estas pequenas galáxias, que são normalmente extremamente difíceis de detectar apenas 375 milhões de anos após o Big Bang.”

Dado que a matéria escura é impossível de estudar diretamente, a procura de manchas brilhantes de galáxias no Universo primitivo poderia oferecer um teste eficaz para as teorias sobre a matéria escura, que até agora tem sido infrutíferas.

“A descoberta de manchas de galáxias pequenas e brilhantes no Universo primitivo confirmaria que estamos no caminho certo com o modelo de matéria escura fria porque apenas a velocidade entre dois tipos de matéria pode produzir o tipo de galáxia que procuramos, ” disse Naoz, professor de astrofísica Howard e Astrid Preston. “Se a matéria escura não se comportar como a matéria escura fria padrão e o efeito de fluxo não estiver presente, então essas galáxias anãs brilhantes não serão encontradas e precisaremos voltar à prancheta.”