Por que duas galáxias fantasmas estão perdendo a matéria escura?

Duas galáxias sem matéria escura lançam luz sobre galáxias fantasmagóricas que geralmente são ricas em matéria escura.

Os fantasmas estão em toda parte - isto é, galáxias fantasmas. Alguns são do tamanho da Via Láctea ou até maiores, mas têm poucas estrelas que são extremamente fracas, virtualmente transparentes e difíceis de detectar. Sabemos que tais galáxias existem há décadas, mas só recentemente novas técnicas de observação mostram o quão comuns elas são.

A maioria dessas chamadas galáxias ultra-difusas deve ser extraordinariamente rica em matéria escura - ela forneceria a atração gravitacional para impedir a dispersão das estrelas esparsas. Mas agora os astrônomos encontraram não apenas uma, mas duas dessas galáxias que parecem não ter matéria escura por completo. A nova descoberta complica a imagem de como essas galáxias se tornaram.

Uma galáxia sem matéria escura

No ano passado, Pieter van Dokkum (Universidade de Yale) e seus colegas descobriram a primeira galáxia de matéria escura na periferia da elíptica NGC 1052, apelidada de NGC 1052-DF2 . Observando 10 aglomerados globulares em torno das bordas da galáxia, os astrônomos determinaram a massa total do DF2. Acontece que a massa total é pequena e aproximadamente equivalente à sua massa nas estrelas. Normalmente, a massa total de uma galáxia supera suas estrelas por um fator de 100 ou mais, sugerindo a presença de matéria escura. Mas nesta galáxia, não parece haver nenhuma matéria oculta - apenas estrelas.

(Por razões que os astrônomos ainda não entendem, os aglomerados globulares em si são estranhos também. Eles são todos extraordinariamente luminosos , tão brilhantes quanto o Omega Centauri, o aglomerado globular mais brilhante da Via Láctea.)

A bolha nebulosa no centro desta imagem do Hubble é a incomum galáxia ultra-difusa NGC 1052-DF2, uma galáxia que está faltando a maior parte - se não toda - de sua matéria escura. NASA / ESA / P. van Dokkum (Universidade de Yale)

Talvez não seja nenhuma surpresa que a alegação extraordinária da equipe tenha sido imediatamente cercada por controvérsias. Alguns astrônomos argumentaram que 10 aglomerados globulares não eram suficientes para fornecer uma estimativa de massa confiável. Outros argumentaram que a distância até a NGC 1052-DF2 era incerta, o que colocava qualquer tentativa de entendê-la em desordem. 

Para caracterizar o DF2, van Dokkum e colegas usaram o Dragonfly Telephoto Array , que imagina cada alvo simultaneamente através de múltiplas lentes Canon 400mm, semelhante ao funcionamento de um olho de libélula. A configuração única permite que os astrônomos capturem "fuzzies" extremamente fracos, como galáxias grandes e pobres em estrelas. Antes da descoberta do DF2, o grupo tinha caracterizado dezenas dessas galáxias fantasmagóricas no agrupamento Coma aglomerado , incluindo o curioso caso de Dragonfly 44 , uma galáxia de massa da Via Láctea com 100 vezes menos estrelas do que a nossa galáxia. Parece ser feito de 99,99% de matéria escura.

Van Dokkum e seus colegas sugeriram que, à medida que galáxias como a Dragonfly 44 voam através do abundante ambiente de aglomerados, as interações gravitacionais retiram as estrelas ou o material de formação de estrelas. Esses objetos ultra-difusos, então, são essencialmente "galáxias com falha".

A descoberta de DF2, no entanto, parece transformar esse argumento em sua cabeça - algo tirou essa galáxia de sua matéria escura, ou talvez nunca tenha tido nada para começar.

“Uma é uma exceção, dois é uma população”

Agora, a equipe de van Dokkum descobriu uma nova galáxia sem matéria escura: NGC 1052-DF4. Depois de encontrar o DF4 em imagens do Dragonfly, a equipe seguiu com a imagem e espectroscopia do Telescópio Espacial Hubble através do telescópio Keck I em Mauna Kea, Hawai'i.

Uma imagem de pesquisa tirada com o Dragonfly Telephoto Array mostra objetos dentro do campo da galáxia elíptica NGC 1052 (centro). Entre esses objetos estão DF2 (canto inferior esquerdo) e DF4 (canto superior direito); ambas são galáxias com deficiência de matéria escura que são semelhantes em tamanho, luminosidade, morfologia, população aglomerada globular e dispersão de velocidade. P. van Dokkum (Universidade de Yale) / STScI / ACS

O DF4 é o doppelgänger do DF2: tem aproximadamente o mesmo tamanho, luminosidade e também tem uma coleção de clusters globulares incomumente brilhantes. Também como DF2, DF4 parece ter uma massa total equivalente à sua massa estelar, mais uma vez negando a necessidade de matéria escura. 

"O que o papel não pode transmitir é como ficamos incrivelmente surpresos!", Escreveu van Dokkum no Twitter logo após o lançamento do artigo sobre o arXiv da pré-impressão astronômica . O estudo aparece em 20 de março Astrophysical Journal Letters .

A descoberta de uma segunda galáxia sem matéria escura confere credibilidade à primeira descoberta, e não apenas porque duas são maiores que uma. Em um caso de revisão por pares que vai espetacularmente certo, van Dokkum e colegas seguiram a sugestão de um árbitro anônimo para medir a massa da DF4 em uma segunda via, medindo a velocidade das estrelas na própria galáxia. Nem Dragonfly, Hubble nem Keck podem resolver as estrelas fracas e distantes em pontos; em vez disso, os astrônomos usaram o Keck para captar a luz difusa das estrelas, da mesma forma que os astrônomos sob o céu escuro podem ver o brilho fraco e leitoso de bilhões de estrelas em nossa galáxia.

Medindo as velocidades da luz estelar difusa, os astrônomos confirmaram a massa que haviam estimado antes. A equipe, desta vez liderada por Shany Danieli (Yale), também voltou e mediu a luz difusa do DF2, confirmando sua baixa massa também. Os resultados atualizados sobre o DF2 são publicados no April 1st Astrophysical Journal Letters ( pré-impressão disponível aqui ).

"Eu acho que há realmente algo para a baixa velocidade de dispersão (e, portanto, baixa massa) reivindicações", diz Michelle Collins (Universidade de Surrey, Reino Unido), que não estava envolvido no estudo. Ela havia expressado dúvidas sobre o DF2 quando foi descoberto pela primeira vez, mas ela observou: “Eu não estou mais preocupado com as estatísticas”.

No entanto, ainda há trabalho a ser feito. Muitas evidências circunstanciais sugerem que DF2 e DF4 pertencem ao aglomerado de galáxias em torno de NGC 1052, mas nem todos estão convencidos.

“A questão pendente”, Collins continua, “é a distância tanto do DF2 quanto do DF4. Se eles estivessem realmente mais próximos, as galáxias pareceriam mais típicas e teriam uma quantidade típica de matéria escura. Sem mais dados, essa estimativa de distância permanece altamente incerta, então, sinceramente, não tenho certeza do que fazer com ela. ”As observações do Hubble em julho ou agosto devem decidir a questão da distância de uma vez por todas.

Galáxias ricas em matéria escura

Então, por que a NGC 1052-DF2 e a DF4 parecem tão diferentes da maioria das galáxias ultra-difusas vistas nas proximidades do Coma Cluster? Entre as milhares de galáxias semelhantes à espreita , a maioria é rica em matéria escura, com até 98% de sua massa sendo “escura”.

"Podemos apenas estar destacando os extremos da distribuição", diz Collins. "No meio, eu suspeito que haverá um número de galáxias ultra-difusas que têm aproximadamente quantidades típicas de matéria escura, também."

Grupo Cluster de Coma. Adam / Mount Lemmon SkyCenter / Universidade do Arizona

DF2 e DF4 têm uma característica comum com as galáxias de aglomerados Coma ricos em matéria escura: uma preponderância de aglomerados globulares. Em 2017 van Dokkum e seus colegas descobriram que mais da metade das galáxias ultra-difusas em Coma tinham mais aglomerados globulares do que o esperado. Essas antigas cidades estelares nasceram bilhões de anos atrás, e provavelmente contêm pistas sobre o nascimento e a evolução das galáxias - ainda assim, não está claro como as galáxias e seus aglomerados globulares estão relacionados.

Para tentar entender as galáxias ultra-difusas como um todo, Pavel Mancera Piña (ASTRON e University of Groningen, Holanda) e colegas recentemente realizaram uma grande pesquisa de oito aglomerados de galáxias, encontrando 442 galáxias que atendem às qualificações de serem grandes e muito fraco. O grupo descobriu que mais dessas galáxias tendem a ser “vermelhas e mortas” quando estão mais próximas dos centros do cluster, o que sugere que o ambiente de aglomerados rasgou o material necessário para fazer novas (e azuis) estrelas.

O estudo, publicado na edição de maio do Monthly Notices da Royal Astronomical Society , sugere que as galáxias ultra-difusas são essencialmente anãs grandes: elas têm quantidades normais de estrelas para galáxias anãs, é apenas que elas são incomumente grandes. Essa explicação contraria a teoria da "galáxia falida" que Van Dokkum e outros adotaram.

"A definição de galáxias ultra-difusas é muito ampla", observa Collins. "Dada a enorme gama de propriedades permitidas pela definição atual, eu acho que é provável que exista mais de um 'tipo' de galáxia capturada nesta definição."

Mas os caçadores de fantasmas galácticos não desistiram: enquanto o grupo de Piña continua uma série de estudos sobre a população ultra-difusa como um todo, a equipe do Dragonfly ainda está em busca de exceções escuras.

Fonte: Skyandtelescope.com