Galáxias anãs sem matéria escura

Título: A population of dwarf galaxies deficient in dark matter

Autores: Qi Guo, Huijie Hu, Zheng Zheng, ShiHong Liao, Wei Du, Shude Mao, Linhua Jiang, Jing Wang, Yingjie Peng, Liang Gao, Jie Wang, Hong Wu

Instituição do Primeiro Autor: National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Science, China

Status: Submetido à Nature. Acesso aberto via arXiv.

O efeito da matéria escura nas galáxias foi observado pela primeira vez na década de 1920 por vários astrônomos. Estudando a rotação das partes externas da galáxia, eles notaram que as velocidades são mais rápidas do que o esperado dado a massa da galáxia (estimada a partir da luz emitida pelas estrelas). Portanto, inferiu-se que deve haver mais massa na galáxia que não podemos ver. Além disso, não era apenas um pouquinho de massa que não podíamos ver –  era 5 vezes a massa das estrelas visíveis dentro da galáxia!

Figura 1: A animação acima mostra, à esquerda, como esperaríamos que as estrelas girassem em torno da galáxia. No entanto, não é isso que vemos. O que se vê está à direita, onde as estrelas parecem orbitar o centro aproximadamente na mesma velocidade, não importando a distância do centro. Fonte.

Quanta matéria escura exatamente esperamos?

Dentro do modelo cosmológico padrão, a matéria escura representa aproximadamente 27% do Universo, enquanto a matéria normal, conhecida como bárions, representa apenas 4,6%. Pensa-se que a matéria escura está espalhada por todo o nosso Universo. No entanto, não é distribuída uniformemente. É formada por filamentos, similar a uma teia de aranha muito desorganizada. Esses filamentos se unem em certos pontos, e é nesses pontos em que temos muita matéria escura que as maiores galáxias se formam. Um grande grupo de partículas de matéria escura causa um poço de potencial profundo, no qual o gás pode cair e formar as primeiras estrelas e então construir uma galáxia inteira. Quanto mais matéria escura houver, mais profundo será o poço de potencial e maior será a galáxia que se forma ali.

A fim de determinar o conteúdo de matéria escura, podemos definir o ‘raio à meia luz’, que é o raio no qual metade da luz ótica da galáxia está contida. Para galáxias de baixa massa conhecidas como ‘galáxias anãs’ dentro do grupo local, embora tenham menos matéria escura do que galáxias muito massivas, elas ainda são dominadas pela matéria escura mesmo dentro desse raio à meia luz.

O artigo de hoje apresenta 19 galáxias que parecem ser principalmente bárions bem além do raio à meia luz, em vez de serem dominadas pela matéria escura como esperado (veja Figura 3, onde se observa que as galáxias do artigo apresentam mais massa de gás e estrelas do que esperado em comparação à outras galáxias). 14 dessas galáxias são galáxias isoladas, o que significa que não têm galáxias maiores próximas que possam estar afetando-as.

Figura 2: Os painéis quadrados mostram a imagem na banda r do SDSS de dois exemplos selecionados. Cada painel abrange 3’× 3′. O painel esquerdo mostra uma galáxia anã em que a massa bariônica é aproximadamente a mesma que a massa dinâmica, ou seja, conteúdo de matéria escura muito baixo. O painel direito mostra uma galáxia anã típica com massas bariônicas muito mais baixas do que sua massa dinâmica, o que significa um conteúdo mais alto de matéria escura. Figura 1 do artigo.

Possíveis explicações

Figura 3: Gráfico que mostra a massa de gás e estrelas no eixo x (inferida a partir da luz ótica emitida) e a massa dinâmica no eixo y. A massa dinâmica é a massa que está influenciando a rotação (ou a dinâmica) da galáxia. Portanto, é toda a massa dentro da galáxia que interage gravitacionalmente, isto é, estrelas, gás e matéria escura. Figura 2 do artigo.

Uma possível explicação para esse efeito é que essas galáxias interagiram com outras galáxias no passado em ambientes de alta densidade, causando a remoção do material bariônico das galáxias por efeitos de maré. A matéria escura poderia então ser removida para a região externa da galáxia seguindo as mudanças gravitacionais da matéria expelida. Mais gás frio ainda pode cair na galáxia (essencial para a formação de estrelas), mas sem a matéria escura. Isso também é visto em algumas simulações hidrodinâmicas. No entanto, apenas 5 galáxias dentro da amostra parecem estar próximas a qualquer companheira, o que torna essa explicação improvável. Outra razão pode ser que fortes ventos de supernovas possa expulsar gás da galáxia, criando um poço potencial menos profundo.

Os autores também discutem a possibilidade de erros sistemáticos em suas observações como explicação. Ao estudar a rotação de galáxias, é necessário fazer suposições e estimativas da inclinação de uma galáxia. Valores de inclinação incorretos levariam a valores subestimados das velocidades de rotação e, portanto, a um valor subestimado da massa total. No entanto, comparando-se às simulações, bem como estimando quaisquer problemas de desalinhamento, eles encontram uma distribuição de massas conforme o esperado, sugerindo que essas galáxias com baixo teor de matéria escura realmente existem.

Observações adicionais podem ser feitas sobre essas galáxias, a fim de entender mais propriedades sobre elas e confirmar se elas são realmente tão deficientes em matéria escura. Sempre se supõe que aonde a matéria escura vai, a matéria normal segue. Estudos adicionais mostrarão se isso é resultado de um evento no qual as estrelas e o gás foram removidos de seu hospedeiro de matéria escura, se alguns processos internos estão empurrando a matéria escura para fora da galáxia ou se realmente precisamos reajustar nossa compreensão de formação de galáxias como um todo.


Adaptado de Dwarf Galaxies without Dark Matter, escrito por Jessica May Hislop.

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