Teorias da gravidade modificada: galáxias anãs falam

As galáxias anãs mais tênues do nosso universo revelam uma anomalia gravitacional que intriga os astrônomos há décadas. Enquanto as grandes galáxias espirais parecem seguir regras bem estabelecidas, as menores desafiam as expectativas, girando mais rápido do que o previsto, o que sugere a presença de um componente invisível que escapa aos nossos telescópios.

Comparação entre a galáxia espiral M33 (esquerda) e a galáxia anã Eridanus II (direita), mostrando as diferenças na aceleração gravitacional . Crédito: ESO/DSS2 (D. De Martin); DES (SE Koposov), composição: AIP (MP Júlio)

Uma equipe internacional liderada pelo Instituto Leibniz de Astrofísica em Potsdam conduziu um estudo aprofundado de doze das menores e mais tênues galáxias já observadas. Ao analisar as velocidades das estrelas a diferentes distâncias do centro galáctico, os pesquisadores conseguiram mapear o campo gravitacional interno desses sistemas com uma precisão sem precedentes. Os dados coletados mostram claramente que a matéria visível sozinha é insuficiente para explicar a intensidade das forças em ação, desafiando algumas teorias alternativas.

A teoria da Dinâmica Newtoniana Modificada (MOND), proposta na década de 1980 como uma alternativa à matéria escura , prevê que as leis da gravidade se alteram em acelerações muito baixas. No entanto, simulações realizadas no supercomputador nacional do Reino Unido, DiRAC, demonstram que essa abordagem não consegue reproduzir o comportamento observado em galáxias anãs. Em contraste, modelos que incorporam um halo massivo de matéria escura ao redor dessas galáxias correspondem muito melhor aos dados experimentais.

Mariana Júlio, doutoranda do Instituto Leibniz e autora principal do estudo, enfatiza que, pela primeira vez, os cientistas conseguiram resolver a aceleração gravitacional de estrelas nas galáxias mais tênues em diferentes raios. Essa análise detalhada da dinâmica interna confirma que o campo gravitacional não pode ser determinado apenas pela matéria visível, contradizendo, assim, as previsões das teorias da gravidade modificada. Esses resultados reforçam significativamente a necessidade de se invocar a matéria escura.

A pesquisa, aceita para publicação na revista Astronomy & Astrophysics e disponível no servidor de pré-impressões arXiv , também desafia a relação de aceleração radial, uma suposição antiga de que existe uma ligação simples entre a quantidade de matéria visível e a força gravitacional produzida. Embora essa relação permaneça válida para sistemas maiores, ela começa a falhar em galáxias menores, onde a mesma quantidade de matéria visível pode produzir acelerações gravitacionais diferentes.

O professor Justin Read, da Universidade de Surrey, explica que novas técnicas de modelagem agora permitem que os cientistas mapeiem o campo gravitacional em escalas menores do que nunca. Esses avanços oferecem novas perspectivas sobre essa substância estranha e invisível que compõe a maior parte da massa do Universo. Embora essas descobertas não revelem a natureza fundamental da matéria escura, elas reduzem significativamente o leque de explicações alternativas. 

Matéria escura: o enigma cósmico invisível

A matéria escura representa um dos maiores enigmas da cosmologia moderna. Os cientistas estimam que ela constitui cerca de 85% da matéria total do Universo, mas não interage com a luz, o que torna impossível observá-la diretamente com telescópios tradicionais.

Sua presença é inferida indiretamente a partir de seus efeitos gravitacionais sobre a matéria visível. As galáxias giram tão rapidamente que, sem essa massa extra invisível, seriam despedaçadas pela força centrífuga. Da mesma forma, a curvatura da luz por aglomerados de galáxias, um fenômeno chamado lente gravitacional, revela a presença de massas muito maiores do que aquelas que podem ser detectadas.

As pesquisas atuais se concentram em vários candidatos potenciais, incluindo as Partículas Massivas de Interação Fraca (WIMPs), partículas hipotéticas que interagiriam muito fracamente com a matéria comum. Outras teorias exploram a possibilidade de áxions, partículas ultraleves ou até mesmo buracos negros primordiais formados logo após o Big Bang.

A detecção direta da matéria escura continua sendo um dos principais objetivos da física de partículas, com experimentos subterrâneos como o XENONnT na Itália ou o LZ nos Estados Unidos buscando capturar as raras interações entre essas partículas misteriosas e a matéria comum.

Dinâmica galáctica e seus mistérios

A dinâmica galáctica estuda o movimento de estrelas e gás dentro das galáxias, revelando informações cruciais sobre sua estrutura e evolução. As velocidades orbitais das estrelas ao redor do centro galáctico seguem leis específicas que dependem da distribuição total de massa, incluindo matéria visível e invisível.

Na década de 1970, a astrônoma Vera Rubin observou que as estrelas nas regiões externas das galáxias espirais se moviam a velocidades constantes, independentemente de sua distância do centro. Essa descoberta surpreendente contradisse as previsões da mecânica newtoniana, que se baseavam unicamente na matéria visível, fornecendo a primeira evidência sólida da existência de matéria escura.

Galáxias anãs, como as estudadas nesta pesquisa, exibem características dinâmicas únicas. Sua baixa luminosidade e pequeno tamanho as tornam laboratórios ideais para testar teorias gravitacionais em limites extremos, onde se espera que os efeitos da matéria escura sejam mais pronunciados.

Simulações numéricas modernas nos permitem modelar a evolução das galáxias ao longo de bilhões de anos, incorporando tanto a matéria bariônica (ordinária) quanto a matéria escura. Esses modelos nos ajudam a entender como os halos de matéria escura influenciam a formação e a evolução das estruturas cósmicas, desde as primeiras galáxias até os aglomerados de galáxias observáveis ​​hoje.

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