Astrônomos descobrem quinta imagem “impossível” que desvenda segredos da matéria escura

O quasar 0957+561 fotografado pelo Telescópio Espacial Hubble, com um campo repleto de galáxias distantes, incluindo a galáxia lente YGKOW G1 (amarela, entre as duas imagens do quasar). Crédito: STScI

Uma quinta imagem misteriosa dentro de uma rara Cruz de Einstein expôs um enorme halo de matéria escura, dando aos astrônomos uma rara oportunidade de estudar tanto a galáxia distante quanto as estruturas invisíveis que moldam o cosmos. (Conceito artístico.) Crédito: SciTechDaily.com 

Uma análise cuidadosa mostrou que o estranho padrão de luz só poderia ser explicado pela presença de um vasto halo oculto de matéria escura distorcendo o brilho da galáxia.

Descoberta de uma anomalia cósmica

Quando o astrofísico teórico da Rutgers, Charles Keeton, viu pela primeira vez uma imagem incomum compartilhada por seu colega, ele ficou intrigado.

“Você já viu uma Cruz de Einstein com uma imagem no meio?”, perguntou seu colega Andrew Baker, referindo-se a uma configuração cósmica raramente vista.

Keeton não. As implicações eram enormes.

"Eu disse, bem, isso não deveria acontecer", disse Keeton, vice-reitor de Aprendizagem Experimental da Universidade Rutgers-New Brunswick. "Você não consegue obter uma quinta imagem no centro, a menos que algo incomum esteja acontecendo com a massa que está curvando a luz."

O Mistério da Cruz de Einstein

Uma "Cruz de Einstein" é uma configuração cósmica raramente vista, na qual a luz de uma galáxia distante é desviada pela gravidade das galáxias à sua frente, criando quatro imagens. Mas a imagem extra nesta Cruz de Einstein apontava para "algo incomum", que se revelou ser um halo maciço e oculto de matéria escura. A existência dessa estrutura invisível só pôde ser inferida por meio de modelagem e análise computacionais cuidadosas.

Uma configuração cósmica rara: uma Cruz de Einstein com cinco pontos de luz, em vez dos quatro habituais, foi descoberta por cientistas. Crédito: P. Cox et al. – ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Halo de matéria escura revelado

A descoberta, feita por uma equipe internacional que inclui Keeton, Baker e a estudante de pós-graduação da Rutgers, Lana Eid, agora está sendo publicada no The Astrophysical Journal .

A matéria escura compõe a maior parte da matéria do universo, mas não pode ser vista diretamente. "Só sabemos que ela está lá por causa de como ela afeta as coisas que podemos ver, como a maneira como ela curva a luz de galáxias distantes", disse Baker, Professor Emérito do Departamento de Física e Astronomia da Escola de Artes e Ciências e coautor do estudo. "Esta descoberta nos dá uma rara oportunidade de estudar essa estrutura invisível em detalhes."

Primeiras pistas da França

O primeiro passo em direção a essa descoberta foi dado na França.

“Nós pensamos: 'Que diabos?'”, disse Pierre Cox, astrônomo francês, diretor de pesquisa do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica e principal autor do estudo, que primeiro detectou a anomalia em dados do Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) de radiotelescópios nos Alpes Franceses.

“Parecia uma cruz, e havia uma imagem no centro”, disse Cox. “Eu sabia que nunca tinha visto aquilo antes.”

Desvendando a Quinta Imagem

A equipe estudava uma galáxia distante e empoeirada chamada HerS-3. Usando o NOEMA e o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array ( ALMA ), no Chile, eles observaram que a luz da HerS-3 se dividia em cinco imagens, em vez de quatro. A princípio, pensaram que pudesse ser uma falha nos dados. Mas a quinta imagem não desapareceu.

"Tentamos nos livrar dele", disse Cox. "Achávamos que era um problema com o instrumento. Mas era real."

Modelos de computador expõem o invisível

A modelagem computacional da lente gravitacional por Keeton e Eid mostrou que as quatro galáxias visíveis em primeiro plano que causavam a curvatura gravitacional não conseguiam explicar os detalhes do padrão de cinco imagens. Somente com a adição de uma grande massa invisível, neste caso, um halo de matéria escura, o modelo pôde corresponder às observações.

“Tentamos todas as configurações razoáveis ​​usando apenas as galáxias visíveis, e nenhuma delas funcionou”, disse Keeton, também professor do Departamento de Física e Astronomia e coautor do estudo. “A única maneira de alinhar a matemática e a física foi adicionar um halo de matéria escura. Esse é o poder da modelagem. Ajuda a revelar o que você não pode ver.”

Um Laboratório Cósmico Natural

A configuração incomum não é apenas bonita: os cientistas disseram que ela é cientificamente valiosa. O efeito de lente amplia a galáxia de fundo, permitindo que os astrônomos estudem sua estrutura com mais detalhes do que o normal. Também oferece uma rara oportunidade de aprender sobre a matéria escura que circunda as galáxias em primeiro plano.

“Este sistema é como um laboratório natural”, disse Cox. “Podemos estudar tanto a galáxia distante quanto a matéria invisível que está curvando sua luz.” 

Eid, uma estudante de pós-graduação da Rutgers que está fazendo doutorado e coautora do estudo, disse que seu envolvimento no projeto de pesquisa foi emocionante do começo ao fim.

“Fiquei entusiasmado em participar deste projeto como aluno de pós-graduação, especialmente porque envolvia um sistema de lentes fascinante que se tornou mais intrigante à medida que nossos modelos evoluíam”, disse Eid. “A colaboração entre continentes e fusos horários me ensinou o valor da diversidade de conhecimentos e estilos de pesquisa para a compreensão completa de uma nova descoberta.”

Previsões e Testes Futuros

A equipe até previu que mais características, como o gás emanado da galáxia, poderão ser visíveis em observações futuras. Se essas previsões se confirmarem, será uma validação poderosa de seus modelos. Caso contrário, ainda lhes ensinará algo novo.

“Esta é uma previsão falseável”, disse Keeton. “Se olharmos e não a virmos, teremos que voltar à prancheta. É assim que a ciência funciona.”

Baker afirmou que a descoberta foi possibilitada de forma crucial tanto pela colaboração internacional quanto pelo apoio federal dos EUA à ciência. "O ALMA no Chile e o Very Large Array (VLA) no Novo México são apoiados pela Fundação Nacional de Ciências, e o Telescópio Espacial Hubble é apoiado pela NASA ; todos desempenharam papéis vitais neste trabalho", disse ele. "Esperamos que continuem a possibilitar tais descobertas no futuro."

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