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Olhar casual para a antiga imagem do Telescópio Hubble leva à descoberta que pode revelar os segredos da matéria escura
No final de junho de 2023, em um trem matinal indo para o trabalho na cidade de Nova York, David Hendel estava folheando um artigo recente de astronomia em seu telefone quando uma imagem de meia página chamou sua atenção.
A imagem, capturada um ano antes pelo Telescópio Espacial Hubblemostrou UGC 9050-Dw1, uma galáxia anã a cerca de 115 milhões de anos-luz de distância. Terra. Parecia pouco mais do que uma mancha tênue e difusa de luz branco-azulada que os astrônomos chamam de galáxia ultradifusa – um tipo de galáxia tão escassamente povoada por estrelas que se acredita que a maior parte de sua massa seja matéria escuraa substância invisível que constitui mais de 80% da matéria do universo, mas que ainda não foi detectada diretamente.
O que fez Hendel parar não foi a galáxia em si, mas uma fita fina e frágil de estrelas que se arrastava dela, tão fraca que quase desapareceu entre as outras manchas de luz que cobriam a imagem. Hendel, um antigo astrónomo que estudou milhares de estruturas semelhantes, reconheceu imediatamente a interacção subtil das características do arco, incluindo a cor partilhada das estrelas e a sua trajectória curva apontando para um pequeno nó brilhante correspondente ao longo do seu trajecto. Juntas, essas pistas correspondiam a um fluxo estelar saindo de uma pequena bola de estrelas chamada aglomerado globular, separado pela gravidade de UGC 9050-Dw1.
Se a leitura de Hendel estivesse correta, seria o primeiro fluxo desse tipo já encontrado fora do Via Láctea.
“Quase parecia bom demais para ser verdade”, disse Hendel ao Space.com. “Neste ponto, senti tal excitação de uma descoberta que me lembro de olhar para cima e ao redor do trem em busca de alguém para contar!”
Esta descoberta daria aos investigadores um novo laboratório imaculado para sondar a matéria escura, e muito menos contaminado por forças astrofísicas concorrentes que turvam pesquisas semelhantes dentro do nosso próprio planeta. galáxia. Hendel, que agora trabalha com finanças, mas ainda segue pesquisas em sua área anterior, fez uma rápida pesquisa bibliográfica para ver se alguém já havia documentado o recurso. Ninguém tinha.
A pessoa certa para contar não estava no trem, é claro. Antes de chegar à sua parada, Hendel tirou uma captura de tela, esboçou um círculo aproximado ao redor do arco e enviou-o para Sarah Pearson, professora associada de astrofísica no DTU Space da Universidade Técnica da Dinamarca, e sua amiga desde seus tempos de pós-graduação na Universidade de Columbia.
Essa mensagem deu início ao esforço colaborativo que acabaria por confirmar a descoberta, liderado por Pearson e Julie Kiel Holm, Ph.D. estudante do Instituto Niels Bohr da Universidade de Copenhague, na Dinamarca.
O artigo da equipe dá ao riacho o nome de Oyashio (pronuncia-se “oh-yah-shee-oh”), em japonês para uma corrente fria do Pacífico, seguindo um tradição de nomear essas tênues trilhas estelares com nomes de corpos de água em línguas indígenas para homenagear culturas em todo o mundo com longas tradições astronômicas, inclusive na Austrália, no Chile e na Índia.
Na Via Láctea, os astrónomos identificaram até agora cerca de 100 candidatos a fluxos estelares libertados por enxames globulares, mas encontrar um em torno de outra galáxia é extraordinariamente raro. Os fluxos que se formam quando uma galáxia anã inteira é destruída são relativamente fáceis de detectar, uma vez que emergem nos arredores esparsos de uma galáxia maior. Mas os fluxos de aglomerados globulares formam-se nas profundezas da sua galáxia hospedeira, onde são eliminados pela luz estelar mais brilhante e mais aglomerada. A detecção de Oyashio foi possível em parte porque a já escassa população estelar de UGC 9050-Dw1 significava que um cenário mais escuro dava ao fluxo contraste suficiente para ser visto, disse Holm ao Space.com.
A descoberta de Oyashio é “um passo em frente muito emocionante”, disse Emily Cunningham, professora assistente da Universidade de Boston, que estuda fluxos estelares e halos de matéria escura e não esteve envolvido no novo estudo, disse ao Space.com. “Usando técnicas como as descritas neste artigo, detectaremos muito mais fluxos em torno de outras galáxias com observações futuras de instalações como o Observatório Vera Rubin e o Telescópio Espacial Romano Nancy Grace.”
Um catálogo suficientemente grande de tais fluxos em diferentes ambientes galácticos permitir-lhes-ia revelar as perturbações mais subtis que se prevê que a matéria escura cause nas escalas mais pequenas, dizem os investigadores.
“Este é um dos caminhos mais promissores para novas restrições astrofísicas sobre a natureza da matéria escura”, disse Hendel.
Não, Eureka! momento
UGC 9050-Dw1 foi identificado pela primeira vez em 2017 em imagens tiradas pelo Telescópio Canadá-França-Havaí no topo de Mauna Kea, no Havaí, como parte de uma pesquisa de galáxias anãs difusas. UM estudo de acompanhamento em 2023, com base nas mesmas imagens do Hubble nas quais Hendel mais tarde avistou Oyashio, catalogou uma população “excepcionalmente alta” de aglomerados globulares perto da galáxia. Os seus autores concluíram que UGC 9050-Dw1 provavelmente se formou a partir da fusão de duas galáxias de tamanhos comparáveis há cerca de 10 mil milhões de anos, uma delas suficientemente suave para que o gás de ambas sobrevivesse e desencadeasse uma explosão de formação estelar, o que também explicaria a cor uniforme dos aglomerados. Esse estudo de 2023 não sinalizou Oyashio.
No novo estudo, Holm e os seus colegas recuperaram Oyashio de forma independente em dados de arquivo do Hubble e do Telescópio Canadá-França-Havaí, descartando a possibilidade de que fosse um artefacto de imagens do telescópio ou de processamento de dados subsequente.
A equipe então executou milhares de simulações, testando quais combinações de propriedades do aglomerado globular e distribuições de matéria escura poderiam reproduzir o brilho e a forma observados do fluxo. Os modelos mais adequados produziram novas estimativas da massa total da UGC 9050-Dw1 e de como essa massa está espalhada por ela, sugerindo que a galáxia abriga muito mais matéria escura do que a sua escassa população estelar poderia sugerir, consistente com as expectativas para uma galáxia tão difusa.
No estudo, a equipe também avalia uma série de explicações alternativas e explica por que nenhuma delas se ajusta perfeitamente às evidências. O arco poderia ser, por exemplo, um alinhamento casual de estrelas não relacionadas, o produto de lentes gravitacionais de uma galáxia de fundo, ou uma região empoeirada que imita a forma de um riacho. Nenhum desses cenários, diz a equipe, explica por si só as principais evidências, principalmente a cor consistente das estrelas, seu alinhamento ao longo de uma única trilha curva e a conexão dessa trilha com o que parece ser o progenitor do aglomerado globular.
“Foi um processo interessante no sentido de que não houve um momento específico em que pensamos, ‘Ok, agora sabemos o que é’”, disse Holm ao Space.com. “Começamos com a suposição de que, apenas olhando para isso, parece que poderia ser alguma coisa. De quantas maneiras diferentes podemos tentar provar que não pode ser?”
Ainda assim, no interesse do rigor, a equipa reconhece que não pode excluir totalmente todas as explicações alternativas. “Ainda existe a possibilidade de que algumas estrelas caiam aleatoriamente neste padrão,” disse Holm, “mas novamente… para que todas estas coisas se alinhem tão bem como estão, seria necessária muita coincidência.”
Pistas de matéria escura
A recompensa dessa cautela reside no que Oyashio pode revelar sobre a estrutura invisível do universo. À medida que um aglomerado globular é fragmentado ao longo de milhares de milhões de anos, as estrelas que ele liberta espalham-se ao longo da sua órbita anterior, em vez de se dispersarem aleatoriamente, preservando, na verdade, um registo primitivo das forças gravitacionais que as moldaram. Se um aglomerado de matéria escura demasiado pequeno para albergar estrelas próprias – um “subhalo”, na linguagem da teoria da matéria escura fria – passar por esse fluxo, a sua gravidade pode desviar as estrelas do curso e abrir uma lacuna.
“As correntes que se formam a partir de aglomerados globulares são particularmente sensíveis a estas perturbações”, disse Cunningham.
O desafio reside em isolar a causa, e uma corrente não é suficiente para tirar conclusões firmes sobre o processo astrofísico responsável. Dentro da Via Láctea, qualquer perturbação num fluxo de estrelas poderia facilmente vir da barra central de estrelas da galáxia ou de galáxias anãs próximas caindo na Via Láctea, como as Nuvens de Magalhães. UGC 9050-Dw1 não tem nenhuma dessas características, então qualquer lacuna encontrada em Oyashio seria uma assinatura mais confiável da matéria escura em ação, disse Holm.
“Se uma lacuna for observada num único fluxo, é muito difícil dizer com certeza qual processo astrofísico é responsável”, disse Cunningham. “No entanto, se conseguirmos construir uma amostra suficientemente grande de correntes em diferentes ambientes galácticos, poderemos começar a desembaraçar estes efeitos.”
“Para fazer isso, precisamos olhar além da Via Láctea”, acrescentou.
Novos instrumentos online poderiam ajudar a fazer exatamente isso. Os astrónomos estão particularmente entusiasmados com o lançamento do Telescópio Espacial Romano Nancy Graceagendado para lançar 30 de agosto, do Centro Espacial Kennedy, na Flórida, que tem um campo de visão pelo menos 100 vezes maior que o do Hubble. Na sua missão principal de cinco anos, com uma possível extensão de cinco anos, espera-se que Roman meça a luz de um bilhão de galáxias, de acordo com NASA.
“Seria possível fazer este tipo de investigação em diferentes galáxias ao mesmo tempo, com a mesma exposição, basicamente”, disse Holm. Ela espera que Roman, juntamente com o telescópio espacial Euclid da Agência Espacial Europeia, lançado em 2023, revele mais galáxias como Oyashio, “para que possamos começar a montar uma imagem mais generalizada de como estas coisas funcionam e o que podem nos dizer”.
Algumas dessas descobertas poderiam até vir à tona como Oyashio, como produto de pura curiosidade científica aplicada a dados já arquivados. Hendel disse que leu o artigo de 2023 principalmente porque ficou intrigado com a conclusão da equipe de que UGC 9050-Dw1 provavelmente se formou através de uma fusão de galáxias anãs. “Não tive nenhum objetivo ao abri-lo, exceto para satisfazer minha curiosidade”, disse ele.
O fato de ele ter conseguido detectar uma característica rara escondida dentro de uma imagem coletada para um projeto de pesquisa completamente diferente mostra o valor da prática de longa data da comunidade científica de disponibilizar dados publicamente, disse Holm.
“Qualquer um pode ter outra ideia e realmente encontrar algo também interessante com os mesmos dados que você não sabia que estavam escondidos”, disse Holm. “Acho que isso também é uma parte muito legal disso.”
O artigo da equipe foi publicado em 12 de agosto na revista Natureza.
