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‘Subhalos escuros’ podem explicar por que as galáxias parecem formar formas pré-determinadas
Nosso universo está cheio de mistérios, mas poucos são tão desconcertantes quanto as pequenas galáxias escuras que pairam em torno de outras maiores, como a Via Láctea.
Pequeno, escuro e quase invisível, esferoidal anão galáxias estão cheios até a borda com algo que não podemos ver: matéria escura. Eles são como icebergs cósmicos, com a maior parte de sua massa escondida da vista de todos, o que os torna alguns dos objetos mais exóticos do mundo. o universo.
No entanto, quando observamos os movimentos reais das estrelas dentro de muitos destes galáxias anãso que vemos frequentemente é algo mais plano, mais parecido com uma colina suave – um “núcleo”. É um pouco como encontrar um planalto perfeitamente suave e convidativo onde você esperava um cume irregular e intransponível. Esta incompatibilidade persistente alimentou um debate sério, deixando-nos a pensar se a nossa compreensão da matéria escura, ou talvez formação de galáxias em si, está fundamentalmente desligado.
Este mistério desafiou a imagem padrão de como as galáxias se formam e evoluem. Mas os astrónomos são espertos e continuam a escavar. Considere o seguinte: essas galáxias não apenas nascem com sua forma final, mas evoluem para ela, seguindo um projeto cósmico. Esta é a ideia central nova pesquisa de Jorge Peñarrubia e Ethan O. Nadler, afiliado ao Instituto de Astronomia da Universidade de Edimburgo e ao Departamento de Astronomia e Astrofísica da Universidade da Califórnia, San Diego. Eles propõem que as galáxias anãs esferoidais estão sempre se movendo em direção a uma configuração específica e estável, um local de repouso cósmico que chamam de “atrator dinâmico”. É como se cada pequena galáxia tivesse uma forma final pré-determinada e, independentemente das condições iniciais, estivesse destinada a construir-se nesse design.
Como uma galáxia encontra o caminho para esse projeto preciso? Não é uma deriva suave em direção ao equilíbrio. Estrelas dentro dessas galáxias anãs recebem um chute cósmico constante e caótico nas calças. Eles não orbitam suavemente em torno do centro da galáxia, como planetas em torno de uma estrela. Em vez disso, são constantemente empurrados pelo que Peñarrubia e Nadler descrevem como “flutuações de força estocásticas”. Pense nisso como uma máquina de pinball. As estrelas são as bolas de pinball e, em vez de paredes perfeitamente lisas, elas esbarram continuamente em pára-choques invisíveis e imprevisíveis, sempre ganhando um pouco de energia.
O que são esses pára-choques invisíveis? Eles são “subhalos escuros” – aglomerados de matéria escura incorporados na galáxia maior e mais suave. halo de matéria escura. Sim, mesmo dentro da misteriosa matéria escura, existem pedaços menores e mais grossos. Causando problemas. Estas subhaloes escuras exercem forças gravitacionais imprevisíveis, dando energia às estrelas e empurrando as suas órbitas para fora. As estrelas ganham energia, as suas órbitas expandem-se e todo o sistema estelar começa a inchar e a espalhar-se. Esse processo, no qual as órbitas estelares se expandem e ganham energia, é uma espécie de “aquecimento” interno da galáxia, impulsionando sua evolução. Este aquecimento interno é uma força poderosa, mas não é o único jogo na cidade.
O universo é um lugar movimentado e muitas vezes violento, e as galáxias anãs esferoidais muitas vezes ficam presas na atração gravitacional de galáxias muito maiores, como a nossa. Via Láctea. Quando uma galáxia grande puxa uma galáxia menor, ela pode arrancar suas camadas externas – um processo chamado remoção de maré. Esta remoção externa acelera o aquecimento e a expansão da galáxia anã, empurrando-a em direção a esse atrator dinâmico ainda mais rápido. Mas mesmo as galáxias anãs que flutuam sozinhas no vazio cósmico, isoladas do assédio gravitacional dos seus vizinhos maiores, ainda evoluem em direção a este atrator através do seu próprio aquecimento interno. Só demora um pouco mais. Por exemplo, uma galáxia anã isolada pode precisar de até 14 mil milhões de anos – essencialmente o idade do universo — para atingir plenamente a sua forma estável.
Então, como é que Peñarrubia e Nadler sabem que isto não é apenas uma conjectura matemática inteligente? Eles não apenas inventaram uma teoria do nada. Esses pesquisadores construíram universos minúsculos inteiros, realizando elaborados “experimentos de N-corpos” – sofisticadas simulações de computador que rastreiam os movimentos de zilhões de partículas estelares e subhalos escuros ao longo de bilhões de anos. Eles até colocaram alguns de seus modelos de galáxias anãs em órbitas excêntricas em torno de uma Via Láctea simulada, apenas para ver como o implacável puxão das marés afetaria as coisas. As suas experiências mostraram que uma galáxia anã esferoidal tem de libertar mais de 99% da sua matéria escura inicial antes de começar a perder um número significativo das suas estrelas, graças à forma como as estrelas e a matéria escura se separam ao longo do tempo.
E eles não pararam por aí. Eles também aplicaram o que chamam de “argumento do aquecimento” aos dados do mundo real das galáxias anãs que orbitam a nossa Via Láctea. O que descobriram foi fascinante: estas galáxias seguem “traços de maré” específicos que correspondem ao que seria de esperar do seu modelo. As suas órbitas estelares, em média, expandem-se até um ponto em que a velocidade a que as estrelas se movimentam – o que os astrónomos chamam de dispersão de velocidade – é cerca de metade da velocidade máxima a que a matéria escura as poderia fazer entrar no halo. Isto vale para diferentes distribuições teóricas de matéria escura, sejam elas “cúspides” como um pico agudo ou “com núcleo” como um platô suave. Para um modelo de distribuição estelar comum, a proporção poderia ser de 0,54, ou para outro, de 0,48. É uma consistência notável, sugerindo um comportamento universal.
Tudo isto significa que a incrível diversidade que vemos hoje nas galáxias anãs esferoidais — os seus diferentes tamanhos e movimentos internos — não é necessariamente um instantâneo de como nasceram, como espécies distintas. Em vez disso, é uma história dinâmica de evolução, uma jornada impulsionada tanto por empurrões gravitacionais internos de subhaloes escuros quanto por forças externas de maré de vizinhos maiores. Todos estão marchando em direção a um estado comum e estável, uma espécie de destino cósmico. A diversidade estrutural que observamos é em grande parte um resultado evolutivo, e não apenas uma dispersão aleatória de condições iniciais. Isso reformula nossa compreensão de sua própria estrutura e persistência.
É claro que a ciência nunca está verdadeiramente estabelecida. Ainda temos muitos quebra-cabeças para resolver. As tentativas de descobrir a distribuição exata da matéria escura dentro dessas galáxias são notoriamente complicadas, em parte por causa do que é chamado de “degeneração da anisotropia de massa”. É difícil dizer se as estrelas se movem em direções perfeitamente aleatórias ou se existe uma direção preferida, o que torna o cálculo da atração gravitacional da matéria escura uma verdadeira dor de cabeça. Além disso, muitas vezes não conseguimos determinar a orientação 3D completa destas galáxias escuras ao longo da nossa linha de visão, adicionando outra camada de incerteza às suas massas totais de halo e perfis de densidade. Assim, embora tenhamos uma nova estrutura brilhante, as massas totais precisas e os perfis de densidade de galáxias anãs esferoidais individuais permanecem indefinidos. Este modelo, por exemplo, simplifica ao não levar em conta completamente como os subhalos escuros afetam o potencial geral suave da matéria escura.
Ainda assim, este trabalho dá-nos uma nova lente poderosa através da qual podemos ver estes mundos minúsculos dominados pela matéria escura. Ele destaca como as interações sutis e contínuas dentro e ao redor de uma galáxia podem remodelar completamente o seu destino. O universo, ao que parece, tem uma maneira de guiar até mesmo os seus menores habitantes em direção a formas previsíveis e estáveis, oferecendo um vislumbre tentador da grande e reveladora história de evolução cósmica. Que outros atrativos ocultos estão por aí, esperando que descubramos? Temos muito mais para aprender sobre como esses parceiros de dança cósmica coreografam suas vidas, e o trabalho de detetive continua, uma galáxia minúscula e escura de cada vez.
