Galáxias anãs inclinam a balança a favor da matéria escura em detrimento da gravidade modificada

Uma equipe internacional de pesquisadores liderada pelo Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam (AIP) lançou luz sobre um debate de décadas sobre por que as galáxias giram mais rápido do que o esperado — e se esse comportamento é causado pela matéria escura invisível ou por um colapso da gravidade em escalas cósmicas. 

Em galáxias espirais como M33 (esquerda), a ligação entre matéria visível e aceleração gravitacional está bem estabelecida. Galáxias anãs tênues, como Eridanus II (direita), apresentam acelerações mais baixas. O estudo revela que seu campo gravitacional não pode ser explicado apenas pela matéria visível e reforça a necessidade da matéria escura. Crédito: Crédito: ESO/DSS2 (D. De Martin); DES (SE Koposov), composição: AIP (MP Júlio) 

Liderado pelo AIP em colaboração com a Universidade de Surrey, a Universidade de Bath, a Universidade de Nanquim na China, a Universidade do Porto em Portugal, a Universidade de Leiden na Holanda e a Universidade de Lund na Suécia, o estudo analisou dados de velocidade estelar de 12 das menores e mais fracas galáxias do universo para testar teorias rivais.

Entre elas está a Dinâmica Newtoniana Modificada (MOND) — uma teoria alternativa proposta pela primeira vez na década de 1980 que sugere que as leis da gravidade mudam em acelerações muito baixas e, portanto, em escalas de distância muito grandes, eliminando completamente a necessidade da matéria escura.

Os autores descobriram que os campos gravitacionais internos das galáxias não podem ser explicados apenas pela matéria visível e que as previsões do MOND não conseguem reproduzir o comportamento observado. Eles então compararam seus resultados com modelos teóricos que pressupõem que essas galáxias são cercadas por um halo massivo de matéria escura. Executados na instalação do Supercomputador Nacional DiRAC, no Reino Unido, esses modelos de matéria escura apresentaram uma correspondência muito melhor com os dados.

Mariana Júlio, aluna de doutorado no Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam (AIP) e principal autora do estudo, disse: "As menores galáxias anãs estão há muito tempo em tensão com as previsões do MOND, mas a discrepância poderia ser explicada plausivelmente por incertezas de medição ou pela adaptação da teoria do MOND.

"Pela primeira vez, conseguimos determinar a aceleração gravitacional de estrelas nas galáxias mais fracas em diferentes raios, revelando em detalhes sua dinâmica interna. Tanto as observações quanto nossas simulações EDGE mostram que seu campo gravitacional não pode ser determinado apenas pela matéria visível, contradizendo previsões gravitacionais modificadas. Essa descoberta reforça a necessidade da matéria escura e nos aproxima da compreensão de sua natureza."

A pesquisa, aceita para publicação na revista Astronomy & Astrophysics e atualmente disponível no servidor de pré-impressão arXiv , também desafia uma suposição de longa data sobre o comportamento das galáxias. Os astrônomos há muito acreditam que existe uma ligação simples entre a quantidade de matéria visível em uma galáxia e a força da atração gravitacional que ela produz — conhecida como "relação de aceleração radial". Embora essa relação ainda seja válida para sistemas maiores, o novo estudo mostra que ela começa a se desfazer nas galáxias menores.

"Nosso novo estudo muda completamente o panorama, utilizando dados melhores e uma análise mais aprofundada para inferir os perfis radialmente resolvidos das galáxias anãs", acrescentou o Dr. Marcel Pawlowski, coautor do estudo. "Nossos resultados confirmam a suspeita anterior de que as galáxias anãs não correspondem às expectativas derivadas de galáxias mais massivas. Elas não se alinham com a relação de aceleração radial extrapolada, mas mostram acelerações maiores ou — no caso da matéria escura — mais massa ausente."

Em alguns casos, a mesma quantidade de matéria visível pode produzir diferentes acelerações gravitacionais, sugerindo que outro fator invisível — provavelmente a matéria escura — está influenciando seu comportamento.

O professor Justin Read, da Universidade de Surrey, coautor do estudo, disse: "Novos dados e técnicas de modelagem estão nos permitindo mapear o campo gravitacional em escalas menores do que nunca, e isso está nos dando novos insights sobre a substância estranha e aparentemente invisível que compõe a maior parte da massa do universo.

Nossos resultados demonstram que não há informações suficientes baseadas apenas no que podemos ver para determinar a intensidade do campo gravitacional nas menores galáxias. Esse resultado pode ser explicado se essas galáxias estiverem cercadas por um halo invisível de matéria escura, já que a matéria escura codifica a 'informação faltante'. Mas as teorias MOND — pelo menos as propostas até agora — exigem que o campo gravitacional seja determinado apenas pelo que vemos. Isso simplesmente não parece funcionar.

Embora as descobertas não revelem a composição da matéria escura, elas estreitam o espaço para explicações alternativas. Observações futuras de galáxias ainda mais fracas e distantes ajudarão a esclarecer o que a matéria escura realmente é.

Phys.org