Por que halos de matéria escura de galáxias ultra-difusas são tão estranhos?

Um estudo co-liderado por físicos da UC Riverside e uc Irvine descobriu que halos de matéria escura de galáxias ultra-difusas são muito estranhos, levantando questões sobre a compreensão dos físicos sobre a formação de galáxias e a estrutura do universo.

Esquerda: Distribuições R-V inferidas a partir dos ajustes de leitura (coloridos), juntamente com as das simulações TNG50-1-Dark (círculos cinza). As linhas pretas sólidas mostram a relação mediana (Diemer & Joyce 2019), bem como 0,3 e 0,6 dex maior R ("menor concentração") em comparação com a mediana. As linhas pretas tracejadas denotam o tronco de massas de halo (M/M = 10, 10,5 e 11. Os halos IllustrisTNG dentro da caixa vermelha são selecionados para estudos posteriores no painel direito. Direita: a velocidade circular de halo em raios 8 kpc (painel superior) e 2 kpc (painel inferior) vs. velocidade circular máxima para os UDGs observados (símbolos coloridos de acordo com a legenda no painel à esquerda), em comparação com os halos TNG50-1-Dark selecionados (círculos cinza). Crédito: The Astrophysical Journal (2022). DOI: 10.3847/1538-4357/ac8875MaxMaxMax102000

Galáxias ultra-difusas são assim chamadas por causa de sua luminosidade extremamente baixa. A distribuição de bárions — gás e estrelas — é muito mais espalhada em galáxias ultra-difusas em comparação com galáxias "normais" com massas semelhantes.

No Q & A seguinte, Hai-Bo Yu, professor associado de física e astronomia na UCR, compartilha seus pensamentos sobre as descobertas que ele e Manoj Kaplinghat, da UCI, seu colaborador de longo prazo, publicaram no The Astrophysical Journal sobre galáxias ultra-difusas recém-descobertas e seus halos de matéria escura.

Yu e Kaplinghat se juntaram à pesquisa de Demao Kong da Universidade Tufts, e Filippo Fraternali e Pavel E. Mancera Piña da Universidade de Groningen, nos Países Baixos. O primeiro autor Kong se juntará à UCR neste outono.

Q. O que é uma auréola de matéria escura?

Um halo de matéria escura é o halo da matéria invisível que permeia e circunda uma galáxia ou um aglomerado de galáxias. Embora a matéria escura nunca tenha sido detectada em laboratórios, os físicos estão confiantes de que a matéria escura, que compõe 85% da matéria do universo, existe.

Q. Você descobriu que halos de matéria escura das galáxias ultra-difusas são muito estranhos. O que há de estranho neles e com o que você está comparando-os?

As galáxias ultra-difusas que estudamos são muito menos massivas em comparação com, digamos, a Via Láctea. Eles contêm muito gás, no entanto, e eles têm massa de gás muito maior do que a massa estelar total, o que é oposto ao que vemos na Via Láctea. As galáxias ultra-difusas também têm grandes tamanhos.

A distribuição da matéria escura nessas galáxias pode ser inferida a partir do movimento das partículas de gás. O que realmente nos surpreende é que a presença da matéria bariônica em si, predominantemente na forma de gás, é quase suficiente para explicar a velocidade medida das partículas de gás e deixa pouco espaço para a matéria escura nas regiões internas, onde a maioria das estrelas e gás estão localizados.

Isso é muito surpreendente porque no caso das galáxias normais, cujas massas são semelhantes às das galáxias ultra-difusas, é o oposto: a matéria escura domina sobre a matéria bariônica. Para acomodar este resultado, concluímos que esses halos de matéria escura devem ter "concentrações" muito menores. Ou seja, eles contêm muito menos massa em suas regiões interiores, em comparação com as de galáxias normais. Nesse sentido, halos de matéria escura das galáxias ultra-difusas são "estranhos".

À primeira vista, seria de esperar que halos de baixa concentração sejam tão raros que as galáxias ultra-difusas nem sequer existiriam. Depois de analisar os dados de simulações numéricas de última geração da formação de estruturas cósmicas, no entanto, descobrimos que a população de halos de baixa concentração é maior do que a expectativa. 

Q. O que estava envolvido em fazer o estudo?

Este é um trabalho colaborativo. Filippo Fraternali e seu aluno Pavel E. Mancera Piña são especialistas em dinâmica gasosa de galáxias. Eles descobriram que as galáxias ultra-difusas giram mais lentamente do que galáxias normais com massas semelhantes. Trabalhamos juntos para interpretar os dados de medição do movimento gasoso dessas galáxias e inferir sua distribuição de matéria escura. Além disso, analisamos dados de simulações de formação de estruturas cósmicas e identificamos halos de matéria escura que têm propriedades semelhantes às inferidas das galáxias ultra-difusas.

Q. Suas descobertas levantam questões sobre nossa compreensão da formação/estrutura das galáxias do universo. Como?

Temos muitas perguntas sobre a formação e evolução dessas galáxias recém-descobertas. Por exemplo, as galáxias ultra-difusas contêm muito gás e não sabemos como esse gás é retido durante a formação de galáxias. Além disso, nossos resultados indicam que essas galáxias podem ser mais jovens do que as galáxias normais. A formação das galáxias ultra-difusas não é bem compreendida, e mais trabalho é necessário.

Q. O que torna as galáxias ultra-difusas tão interessantes?

Estes são objetos incríveis para estudar por causa de suas propriedades surpreendentes, como discutido em nosso trabalho. As galáxias ultra-difusas recém-descobertas fornecem uma nova janela para testar ainda mais nossa compreensão da formação de galáxias, provavelmente até mesmo a natureza da matéria escura.

Fonte: phys.org