Ir direto para menu de acessibilidade.
Início do conteúdo da página

Medidas precisas do halo de luz difusa em aglomerados de galáxias sugerem conexão com matéria escura

Publicado: Quarta, 27 de Janeiro de 2021, 12h38 | Última atualização em Sexta, 19 de Fevereiro de 2021, 16h29

O fraco brilho de estrelas desgarradas de galáxias em aglomerados sempre teve um quê de mistério para cientistas. A palidez dessa luz intra-aglomerado torna a sua medida muito difícil e por isso ninguém sabe bem o quanto há dela por aí. Cientistas do Dark Energy Survey (DES) (ou Levantamento da Energia Escura, em português), projeto liderado pelo Fermilab (EUA), fizeram as medidas mais extensas dessa luz em aglomerados de galáxias e encontraram que a sua distribuição pode dar pistas sobre como a matéria escura se distribui nesses sistemas.

Versão de Ricardo Ogando para o texto de Steve Koppes para o Fermilab.

Uma combinação de dados observacionais e uma simulação computacional sofisticada produziram avanços em um campo da astronomia que vinha se arrastando por meio século. O Dark Energy Survey publicou um conjunto de novos resultados sobre a chamada Luz Intra-Aglomerado, ou ICL na sigla em inglês de IntraCluster Light, um tipo de luz bem fraca encontrada no interior de aglomerados de galáxias.

A primeira parte das novas medidas precisas de ICL apareceu em um artigo publicado no The Astrophysical Journal em abril de 2019. A segunda parte apareceu, mais recentemente, na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, com uma descoberta surpreendente. Astrônomos do DES acharam novas evidências de que a ICL pode ser uma nova maneira de medir a presença de uma substância misteriosa chamada matéria escura.

A origem da ICL parece ser estrelas desgarradas no aglomerado, aquelas que não estão ligadas gravitacionalmente a nenhuma galáxia. Já se desconfiava que a ICL era uma componente importante de aglomerados de galáxias, mas o seu brilho é tão fraco que se torna muito difícil de medir. Ninguém sabe bem quanto de ICL um aglomerado de galáxias tem ou até onde ela se espalha.

"Observacionalmente, nós confirmamos que a luz intra-aglomerado segue muito bem a distribuição radial de matéria escura. Isso significa que, onde a luz intra-aglomerado é mais brilhante, a matéria escura é mais densa", explica a cientista do Fermilab Yuanyuan Zhang, que liderou ambos os estudos. "Só medir a própria ICL já é bastante incrível. A parte da matéria escura foi um bônus."

 

À esquerda temos uma imagem simulada de um aglomerado onde a luz intra-aglomerado aparece como uma luz difusa entre picos isolados de luz – as galáxias. Nas observações, como vemos na imagem à direita, a luz intra-aglomerado está imersa em ruído.
Imagem da esquerda: Jesse Golden-Marx; simulação por The IllustrisTNG. Imagem da direita: Dark Energy Survey e Yuanyuan Zhang.

 

Embora invisível, a matéria escura compõe a maior parte da matéria no universo. Do que a matéria escura é feita é ainda um dos grandes mistérios da cosmologia moderna. Astrônomos sabem apenas que ela é bem diferente da matéria normal, que consiste de prótons, nêutrons e elétrons que dominam a nossa vida no dia a dia.

Mas é a ICL, não a matéria escura, que estava inicialmente nos planos do time de pesquisa. A maior parte dos astrônomos mede a luz intra-aglomerado próxima ao centro de um aglomerado de galáxias, onde ela é mais brilhante e abundante. "Nós conseguimos medir a ICL bem longe do centro dos aglomerados de galáxias, onde a luz é bem fraca", disse Zhang. "E quanto mais longe do centro, mais difícil a medida".

Apesar dessas dificuldades, os cientistas do DES conseguiram produzir as medidas mais extensas de ICL até hoje. O time usou a técnica de lente gravitacional fraca para comparar a distribuição radial da ICL – como ela muda com a distância ao centro do aglomerado – com a distribuição radial da massa de aglomerados de galáxias.

Lente gravitacional fraca é um método sensível à presença de matéria escura usado para medir a massa de galáxias ou aglomerados. Ela ocorre quando a gravidade de uma estrela ou aglomerado curva a luz que vem de uma galáxia mais distante, distorcendo a sua forma aparente.

No final das contas, observacionalmente, a ICL reflete tanto a distribuição da massa total visível de um aglomerado de galáxias quanto, provavelmente, a distribuição da matéria escura invisível. "Nós não esperávamos encontrar uma relação tão próxima entre essas distribuições radiais, mas encontramos" relatou o cientista Hillysson Sampaio-Santos, o autor principal do novo artigo.

 

Comparando observações com simulação

Para entender melhor o assunto, o time usou uma simulação computacional sofisticada para estudar a relação entre a ICL e a matéria escura. Os pesquisadores viram que, na simulação, os perfis radiais dessas duas componentes não concordavam com os dados observacionais. Na simulação, "o perfil radial da ICL não era o melhor componente para mapear a matéria escura", afirmou Sampaio-Santos, que defendeu a sua tese de doutorado sobre luz intra-aglomerado no final de agosto de 2020 no Observatório Nacional, com orientação de Ricardo Ogando, que também participa do estudo.

Zhang destaca que é muito cedo para dizer o que causou exatamente o conflito entre observação e simulação. "Se a simulação não acertou, isso pode significar que a luz intra-aglomerado simulada é produzida de uma maneira ligeiramente diferente da observada. As estrelas simuladas não tiveram tempo o suficiente para se espalhar no aglomerado e começar a mapear a matéria escura." 

Sampaio-Santos acrescentou que mais estudos da ICL podem revelar detalhes da dinâmica dentro dos aglomerados de galáxias, incluindo interações que podem soltar essas estrelas que passeiam entre as galáxias. "Estou planejando estudar a luz intra-aglomerado e os efeitos no seu relaxamento", ou o seu estado dinâmico, ele revela. Por exemplo, alguns aglomerados passam por um processo de fusão. A ICL desses aglomerados que se chocaram deveria ter propriedades diferentes daqueles relaxados.

 

Aumentando o sinal em dados ruidosos

 A ICL medida pelo time é cerca de cem a mil vezes mais fraca do que a luz que cientistas do DES têm que lidar normalmente. Isso significa que o time teve que enfrentar um monte de ruído e contaminação no sinal. O lado técnico dessa façanha foi bastante desafiador, comenta Zhang, "mas como tínhamos muitos dados do Dark Energy Survey, fomos capazes de "cancelar" um monte de ruído para fazer esse tipo de medida. É uma média estatística."

Astrônomos tipicamente medem a ICL usando um punhado de aglomerados de galáxias. "Isso é ótimo para obter informações sobre sistemas individuais," diz Zhang.

Para ter um panorama geral e abafar o ruído, o time do DES calculou esse ICL médio para cerca de 300 aglomerados de galáxias no primeiro estudo e para mais de 500 aglomerados no segundo. Todos eles a alguns bilhões de anos-luz da Terra.

Separar o sinal do ruído para cada aglomerado requer muito dado, e é exatamente isso que o DES produziu nos últimos anos. No início de 2019, o DES completou sua missão de 6 anos de observar centenas de milhões de galáxias distantes no céu do hemisfério sul e fez o seu segundo lançamento público de dados em meados deste mês de Janeiro.

As medidas de ICL foram feitas em aglomerados a até 3,3 bilhões de anos-luz da Terra. Em estudos futuros, Zhang gostaria de estudar como a ICL evolui com o redshift (um jeito de medir distância de galáxias) – ou seja, como ela muda com o tempo cósmico. "Meu sonho é ir até redshift igual a um – o equivalente a 10 bilhões de anos-luz de distância," diz Zhang. "Estudos dizem que é nessa distância que a ICL começa a evoluir."

Ir tão longe assim permitiria aos astrônomos ver a ICL sendo construída ao longo do tempo. "Mas isso é muito difícil porque é três vezes mais distante que nossas medidas atuais, então tudo fica extremamente fraco lá,", ela comenta. O DES é uma colaboração de mais de 300 cientistas de 25 instituições em seis países. Para mais informações sobre o levantamento, por favor visite a página do experimento.

O financiamento do DES é dado pelo U.S. Department of Energy (DOE), U.S. National Science Foundation, Ministry of Science and Education of Spain, Science and Technology Facilities Council of the United Kingdom, Higher Education Funding Council for England, National Center for Supercomputing Applications at the University of Illinois at Urbana-Champaign, Kavli Institute of Cosmological Physics at the University of Chicago, Center for Cosmology and Astro-Particle Physics at the Ohio State University, Mitchell Institute for Fundamental Physics and Astronomy at Texas A&M University, Financiadora de Estudos e Projetos, Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico e Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações, Deutsche Forschungsgemeinschaft e pelas instituições colaboradoras do Dark Energy Survey.

Os cientistas brasileiros participam do DES através do consórcio DES-Brazil com apoio de CNPq, FAPERJ, FINEP e MCTI.

Link Fermilab: 

https://news.fnal.gov/2021/01/precision-measurements-of-intracluster-light-suggest-possible-link-to-dark-matter/

 

 

 

Fim do conteúdo da página