130: Cientistas sondam a energia escura, testando a gravidade

CIÊNCIA/ASTRONOMIA/FÍSICA/COSMOLOGIA

Esta imagem – a primeira divulgada do Telescópio Espacial James Webb da NASA – mostra o enxame de galáxias SMACS 0723. Algumas das galáxias aparecem manchadas ou esticadas devido a um fenómeno chamado de lente gravitacional. Este efeito pode ajudar os cientistas a mapear a presença de matéria escura no universo.
Crédito: NASA, ESA, CSA, e STScI

O Universo está a expandir-se a um ritmo acelerado e os cientistas ainda não sabem porquê. Este fenómeno parece contradizer tudo o que os investigadores compreendem sobre o efeito da gravidade no cosmos: é como se se atirasse uma maçã para o ar e ela continuasse para cima, cada vez mais depressa. A causa da aceleração, apelidada de energia escura, continua a ser um mistério.

Um novo estudo pelo levantamento internacional DES (Dark Energy Survey), usando o Telescópio Victor M. Blanco de 4 metros no Chile, marca o esforço mais recente para determinar se tudo isto é simplesmente um mal-entendido: que as expectativas de como a gravidade funciona à escala de todo o Universo são defeituosas ou estão incompletas.

Este potencial mal-entendido pode ajudar os cientistas a explicar a energia escura. Mas o estudo – um dos testes mais precisos até agora da teoria da gravidade de Einstein à escala cósmica – conclui que o entendimento actual ainda parece estar correto.

Os resultados foram apresentados na passada quarta-feira, dia 23 de Agosto, na Conferência Internacional sobre Física de Partículas e Cosmologia (COSMO’22) no Rio de Janeiro.

O trabalho ajuda a preparar o palco para dois telescópios espaciais que irão sondar a nossa compreensão da gravidade com uma precisão ainda maior do que o novo estudo e talvez finalmente resolver o mistério.

Há mais de um século, Albert Einstein desenvolveu a sua Teoria da Relatividade Geral para descrever a gravidade e até agora tem previsto tudo com precisão tudo desde a órbita de Mercúrio até à existência de buracos negros.

Mas se esta teoria não consegue explicar a energia escura, alguns cientistas argumentaram, então talvez precisem de modificar algumas das suas equações ou acrescentar novos componentes.

Para descobrir se é esse o caso, os membros do DES procuraram evidências de que a força da gravidade tem variado ao longo da história do Universo ou ao longo de distâncias cósmicas.

Uma descoberta positiva indicaria que a teoria de Einstein está incompleta, o que poderia ajudar a explicar a expansão acelerada do Universo. Também examinaram dados de outros telescópios, além do Blanco, incluindo o satélite Planck da ESA, e chegaram à mesma conclusão.

O estudo conclui que a teoria de Einstein ainda funciona. Portanto, ainda não há explicação para a energia escura. Mas esta investigação irá alimentar duas próximas missões: a missão Euclid da ESA, com lançamento previsto para não antes de 2023, e o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA, com lançamento calendarizado o mais tardar para maio de 2027. Ambos os telescópios vão procurar alterações na força da gravidade ao longo do tempo ou da distância.

Visão desfocada

Como é que os cientistas sabem o que aconteceu no passado do Universo? Olhando para objectos distantes. Um ano-luz é uma medida da distância que a luz pode percorrer num ano (cerca de 9,5 biliões de quilómetros).

Isso significa que um objecto a um ano-luz de distância aparece-nos como era há um ano atrás, quando a luz deixou o objecto pela primeira vez. E as galáxias a milhares de milhões de anos-luz de distância aparecem-nos como eram há milhares de milhões de anos.

O novo estudo analisou galáxias que remontam há cerca de 5 mil milhões de anos. O telescópio Euclid vai mergulhar nas galáxias de há 8 mil milhões de anos, e o Roman vai olhar para trás 11 mil milhões de anos.

As galáxias, propriamente ditas, não revelam a força da gravidade, mas sim o seu aspecto quando vistas da Terra. A maioria da matéria no nosso Universo é matéria escura que não emite, não reflecte nem interage de outra forma com a luz.

Embora os cientistas não saibam do que é feita, sabem que está lá, porque a sua gravidade o demonstra: grandes reservatórios de matéria escura no nosso Universo distorcem o próprio espaço.

À medida que a luz viaja pelo espaço, encontra estas porções de espaço deformado, fazendo com que as imagens de galáxias distantes pareçam curvadas ou desfocadas. Isto foi exposto numa das primeiras imagens divulgadas pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA.

Os cientistas do DES procuram imagens de galáxias para obter distorções mais subtis devido à matéria escura que “dobra” o espaço, um efeito chamado lente gravitacional fraca.

A força da gravidade determina o tamanho e a distribuição das estruturas de matéria escura, e o tamanho e a distribuição por sua vez determinam a forma como essas galáxias nos parecem deformadas.

É assim que as imagens podem revelar a força da gravidade a diferentes distâncias da Terra e em alturas diferentes ao longo da história do Universo. O grupo mediu agora as formas de mais de 100 milhões de galáxias e, até agora, as observações correspondem ao que é previsto pela teoria de Einstein.

“Ainda há espaço para desafiar a teoria da gravidade de Einstein, à medida que as medições se tornam cada vez mais precisas”, disse a co-autora Agnès Ferté, que realizou esta pesquisa como investigadora pós-doutorada no JPL.

“Mas ainda temos muito a fazer antes de estarmos prontos para o Euclid e para o Roman. De modo que é essencial que continuemos a colaborar com cientistas de todo o mundo neste problema, tal como temos feito com o DES”.

Astronomia On-line
26 de Agosto de 2022

28: Anãs da Fornalha parecem não mostrar vestígios de halos de matéria escura

CIÊNCIA/ASTRONOMIA/COSMOLOGIA

A galáxia anã NGC1427A voa através do enxame de galáxias da Fornalha e sofre perturbações que não seriam possíveis se esta galáxia estivesse rodeada por um halo de matéria escura, pesado e prolongado, como exigido pela cosmologia padrão.
Crédito: ESO

De acordo com o modelo padrão da cosmologia, a grande maioria das galáxias está rodeada por um halo de partículas de matéria escura. Este halo é invisível, mas a sua massa exerce uma forte atracção gravitacional sobre as galáxias nas proximidades.

Um novo estudo liderado pela Universidade de Bona (Alemanha) e pela Universidade de Saint Andrews (Escócia) desafia esta visão do Universo. Os resultados sugerem que as galáxias anãs do segundo enxame galáctico mais próximo da Terra – conhecido como o Enxame da Fornalha – estão livres de tais halos de matéria escura. O estudo foi publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

As galáxias anãs são pequenas e ténues e podem ser normalmente encontradas em enxames de galáxias ou perto de galáxias maiores. Devido a isto, podem ser afectadas pelos efeitos gravitacionais das suas companheiras maiores.

“Introduzimos uma forma inovadora de testar o modelo padrão com base no quanto as galáxias anãs são perturbadas pelas marés gravitacionais de galáxias maiores próximas”, disse Elena Asencio, estudante de doutoramento da Universidade de Bona e autora principal do estudo.

As marés surgem quando a gravidade de um corpo puxa de forma diferente partes diferentes de outro corpo. Estas são semelhantes às marés na Terra, que surgem porque a Lua puxa mais fortemente no lado da Terra que está de frente para a Lua.

O Enxame de Galáxias da Fornalha é rica em galáxias anãs. Observações recentes mostram que algumas destas anãs parecem distorcidas, como se tivessem sido perturbadas pelo ambiente do enxame. “Tais perturbações nas anãs da Fornalha não são esperadas de acordo com o Modelo Padrão”, disse Pavel Kroupa, professor na Universidade de Bona e da Universidade Charles em Praga. “Isto porque, de acordo com o modelo padrão, os halos de matéria escura destas anãs devem protegê-las parcialmente das marés levantadas pelo enxame”.

Os autores analisaram o nível esperado de perturbação das anãs, que depende das suas propriedades internas e da sua distância ao gravitacionalmente poderoso centro do enxame. Galáxias de grandes dimensões, mas com baixas massas estelares, e galáxias próximas do centro do enxame, são mais facilmente perturbadas ou destruídas.

Os cientistas compararam os resultados com o seu nível de perturbação observado evidente a partir de fotografias tiradas pelo VST (VLT Survey Telescope) do ESO.

“A comparação mostrou que, se se quiser explicar as observações no modelo padrão” – disse Elena Asencio – “as anãs da Fornalha já deviam ter sido destruídas pela gravidade do centro do enxame, mesmo quando as marés que sobem sobre uma anã são sessenta e quatro vezes mais fracas do que a própria auto-gravidade da anã”.

Não só isto é contra-intuitivo, disse, como também contradiz estudos anteriores, que constataram que a força externa necessária para perturbar uma galáxia anã é aproximadamente a mesma que a auto-gravidade da anã.

Contradição com o modelo padrão

A partir disto, os autores concluíram que, no modelo padrão, não é possível explicar as morfologias observadas nas anãs da Fornalha de uma forma auto-consistente. Eles repetiram a análise utilizando a dinâmica newtoniana modificada (MOND). Em vez de assumir halos de matéria escura em torno das galáxias, a teoria MOND propõe uma correlação com a dinâmica newtoniana através da qual a gravidade experimenta um impulso no regime de baixas acelerações.

“Não tínhamos a certeza de que as galáxias anãs conseguiriam sobreviver ao ambiente extremo de um enxame de galáxias na teoria MOND, devido à ausência de halos protectores de matéria escura neste modelo – admitiu o Dr. Indranil Banik da Universidade de St. Andrews – “mas os nossos resultados mostram um acordo notável entre as observações e as expectativas MOND quanto ao nível de perturbação das anãs da Fornalha”.

“É excitante ver que os dados que obtivemos com o VST permitiram um teste tão exaustivo de modelos cosmológicos”, disse Aku Venhola da Universidade de Oulu (Finlândia) e Steffen Mieske do ESO, co-autores do estudo.

Esta não é a primeira vez que um estudo testando o efeito da matéria escura na dinâmica e evolução das galáxias concluiu que as observações são melhor explicadas quando não estão rodeadas de matéria escura. “O número de publicações que mostram incompatibilidades entre as observações e o paradigma da matéria escura continua a aumentar a cada ano.

É tempo de começar a investir mais recursos em teorias mais promissoras”, disse Pavel Kroupa, membro das Áreas de Investigação Transdisciplinar “Modelação” e “Matéria” na Universidade de Bona.

O Dr. Hongsheng Zhao da Universidade de St. Andrews acrescentou: “Os nossos resultados têm grandes implicações para a física fundamental. Esperamos encontrar anãs mais perturbadas noutros enxames, uma previsão que outras equipas poderão verificar”.

Astronomia On-line
9 de Agosto de 2022