Este gráfico ilustra como a luz de um quasar distante é alterada por uma enorme galáxia em primeiro plano e por minúsculos aglomerados de matéria escura ao longo do caminho da luz. A poderosa gravidade da galáxia deforma e amplia a luz do quasar, produzindo quatro imagens distorcidas do quasar. Os aglomerados de matéria escura residem ao longo da linha de visão do Telescópio Espacial Hubble até o quasar, bem como dentro e ao redor da galáxia em primeiro plano. A presença de aglomerados de matéria escura altera o brilho aparente e a posição de cada imagem distorcida do quasar ao entortar e dobrar ligeiramente a luz conforme ela viaja do quasar distante para a Terra, conforme representado pelas linhas onduladas no gráfico. Os astrônomos compararam essas medições com as previsões de como as imagens dos quasares seriam sem a influência dos aglomerados de matéria escura. Os pesquisadores usaram essas medidas para calcular as massas das minúsculas concentrações de matéria escura. A matéria escura é uma substância invisível que constitui a maior parte da massa do universo e cria a estrutura sobre a qual as galáxias são construídas. Imagens quádruplas de um quasar são raras porque o quasar de fundo e a galáxia de primeiro plano requerem um alinhamento quase perfeito. Crédito:NASA, ESA, e D. Jogador (STScI)
Ao procurar por matéria escura, os astrônomos devem fazer uma espécie de "caça aos fantasmas". Isso porque a matéria escura é uma substância invisível que não pode ser vista diretamente. No entanto, ele constitui a maior parte da massa do universo e forma a estrutura sobre a qual as galáxias são construídas. A matéria escura é a "cola" gravitacional que mantém as galáxias e os aglomerados de galáxias juntos. Os astrônomos podem detectar sua presença indiretamente medindo como sua gravidade afeta estrelas e galáxias.
A substância misteriosa não é composta da mesma coisa que compõe as estrelas, planetas, e pessoas. Esse material é matéria "bariônica" normal, consistindo em elétrons, prótons, e nêutrons. Contudo, a matéria escura pode ser algum tipo de partícula subatômica desconhecida que interage fracamente com a matéria normal.
Uma teoria popular sustenta que as partículas de matéria escura não se movem muito rápido, o que torna mais fácil para eles se agruparem. De acordo com esta ideia, o universo contém uma ampla gama de concentrações de matéria escura, de pequeno a grande porte.
Astrônomos detectaram aglomerados de matéria escura em torno de galáxias de tamanho médio e grande. Agora, usando Hubble e uma nova técnica de observação, astrônomos descobriram que a matéria escura forma aglomerados muito menores do que os conhecidos anteriormente.
Os pesquisadores procuraram por pequenas concentrações de matéria escura nos dados do Hubble medindo como a luz de quasares distantes é afetada enquanto viaja pelo espaço. Quasares são núcleos brilhantes alimentados por buracos negros de galáxias muito distantes. As imagens do Hubble mostram que a luz dessas imagens de quasares é distorcida e ampliada pela gravidade de galáxias massivas em primeiro plano em um efeito chamado lentes gravitacionais. Os astrônomos usaram esse efeito de lente para detectar os pequenos aglomerados de matéria escura. Os aglomerados estão localizados ao longo da linha de visão do telescópio até os quasares, bem como dentro e ao redor das galáxias de lente de primeiro plano.
Cada um desses instantâneos do Telescópio Espacial Hubble revela quatro imagens distorcidas de um quasar de fundo e sua galáxia hospedeira em torno do núcleo central de uma galáxia massiva em primeiro plano. A gravidade da massiva galáxia em primeiro plano atua como uma lupa, distorcendo a luz do quasar em um efeito chamado de lente gravitacional. Quasares são postes de luz cósmicos extremamente distantes produzidos por buracos negros ativos. Essas imagens quádruplas de quasares são raras por causa do alinhamento quase exato necessário entre a galáxia de primeiro plano e o quasar de fundo. Os astrônomos usaram o efeito de lente gravitacional para detectar os menores aglomerados de matéria escura já encontrados. Os aglomerados estão localizados ao longo da linha de visão do telescópio até os quasares, bem como dentro e ao redor das galáxias de lente de primeiro plano. A presença das concentrações de matéria escura altera o brilho aparente e a posição de cada imagem distorcida do quasar. Os astrônomos compararam essas medições com as previsões de como as imagens dos quasares seriam sem a influência dos aglomerados de matéria escura. Os pesquisadores usaram essas medidas para calcular as massas das minúsculas concentrações de matéria escura. A Wide Field Camera 3 do Hubble capturou a luz infravermelha próxima de cada quasar e a dispersou em suas cores componentes para estudo com espectroscopia. As imagens foram tiradas entre 2015 e 2018. Crédito:NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) e T. Treu (UCLA)
Usando o telescópio espacial Hubble da NASA e uma nova técnica de observação, astrônomos descobriram que a matéria escura forma aglomerados muito menores do que os conhecidos anteriormente. Este resultado confirma uma das previsões fundamentais da teoria amplamente aceita da "matéria escura fria".
Todas as galáxias, de acordo com esta teoria, formam e estão embutidos em nuvens de matéria escura. A própria matéria escura consiste em movimentos lentos, ou "frio, "partículas que se juntam para formar estruturas que variam de centenas de milhares de vezes a massa da galáxia da Via Láctea a aglomerados não mais massivos do que o peso de um avião comercial. (Neste contexto, "frio" refere-se à velocidade das partículas.)
A observação do Hubble produz novos insights sobre a natureza da matéria escura e como ela se comporta. "Fizemos um teste observacional muito convincente para o modelo de matéria escura fria e ele passou com louvor, "disse Tommaso Treu, da Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA), um membro da equipe de observação.
A matéria escura é uma forma invisível de matéria que constitui a maior parte da massa do universo e cria a estrutura sobre a qual as galáxias são construídas. Embora os astrônomos não possam ver a matéria escura, eles podem detectar sua presença indiretamente medindo como sua gravidade afeta estrelas e galáxias. Detectar as menores formações de matéria escura procurando por estrelas embutidas pode ser difícil ou impossível, porque eles contêm muito poucas estrelas.
Embora as concentrações de matéria escura tenham sido detectadas em torno de galáxias de médio e grande porte, aglomerados muito menores de matéria escura não foram encontrados até agora. Na ausência de evidências observacionais para esses aglomerados de pequena escala, alguns pesquisadores desenvolveram teorias alternativas, incluindo "matéria escura quente". Esta ideia sugere que as partículas de matéria escura se movem rapidamente, deslizando rápido demais para se fundir e formar concentrações menores. As novas observações não suportam este cenário, descobrir que a matéria escura é "mais fria" do que deveria ser na teoria alternativa da matéria escura quente.
"A matéria escura é mais fria do que sabíamos em escalas menores, "disse Anna Nierenberg do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia, líder da pesquisa Hubble. "Astrônomos já realizaram outros testes observacionais de teorias da matéria escura antes, mas o nosso fornece a evidência mais forte da presença de pequenos aglomerados de matéria escura fria. Ao combinar as últimas previsões teóricas, ferramentas estatísticas, e novas observações do Hubble, agora temos um resultado muito mais robusto do que era possível anteriormente. "
A caça às concentrações de matéria escura desprovidas de estrelas provou ser um desafio. A equipe de pesquisa do Hubble, Contudo, usaram uma técnica na qual não precisaram procurar a influência gravitacional das estrelas como traçadores de matéria escura. A equipe mirou em oito poderosos e distantes "postes cósmicos", "chamados de quasares (regiões em torno de buracos negros ativos que emitem enormes quantidades de luz). Os astrônomos mediram como a luz emitida pelo oxigênio e gás neon orbitando cada um dos buracos negros dos quasares é distorcida pela gravidade de uma enorme galáxia em primeiro plano, que está atuando como uma lente de aumento.
Usando este método, a equipe descobriu aglomerados de matéria escura ao longo da linha de visão do telescópio até os quasares, bem como dentro e ao redor das galáxias de lente intermediárias. As concentrações de matéria escura detectadas pelo Hubble são 1/10, 000 a 1/100, 000º vezes a massa do halo de matéria escura da Via Láctea. Muitos desses pequenos agrupamentos provavelmente não contêm nem mesmo pequenas galáxias, e, portanto, teria sido impossível detectar pelo método tradicional de procurar estrelas embutidas.
Os oito quasares e galáxias foram alinhados com tanta precisão que o efeito de deformação, chamado de lente gravitacional, produziu quatro imagens distorcidas de cada quasar. O efeito é como olhar para um espelho de casa de diversões. Essas imagens quádruplas de quasares são raras por causa do alinhamento quase exato necessário entre a galáxia de primeiro plano e o quasar de fundo. Contudo, os pesquisadores precisaram das várias imagens para realizar uma análise mais detalhada.
A presença de aglomerados de matéria escura altera o brilho aparente e a posição de cada imagem distorcida de quasar. Os astrônomos compararam essas medições com as previsões de como as imagens dos quasares seriam sem a influência da matéria escura. Os pesquisadores usaram as medições para calcular as massas das minúsculas concentrações de matéria escura. Para analisar os dados, os pesquisadores também desenvolveram programas de computação elaborados e técnicas intensivas de reconstrução.
"Imagine que cada uma dessas oito galáxias é uma lupa gigante, "explicou o membro da equipe Daniel Gilman, da UCLA." Pequenos aglomerados de matéria escura atuam como pequenas rachaduras na lupa, alterando o brilho e a posição das quatro imagens de quasar em comparação com o que você esperaria ver se o vidro fosse liso. "
Os pesquisadores usaram a Wide Field Camera 3 do Hubble para capturar a luz infravermelha próxima de cada quasar e dispersá-la em suas cores componentes para estudo com espectroscopia. Emissões exclusivas dos quasares de fundo são mais bem vistas em luz infravermelha. "As observações do Hubble do espaço nos permitem fazer essas medições em sistemas de galáxias que não seriam acessíveis com a resolução mais baixa dos telescópios terrestres - e a atmosfera da Terra é opaca para a luz infravermelha que precisávamos observar, "explicou o membro da equipe Simon Birrer da UCLA.
Treu acrescentou:"É incrível que depois de quase 30 anos de operação, O Hubble está permitindo visões de ponta sobre a física fundamental e a natureza do universo com que nem sequer sonhávamos quando o telescópio foi lançado. "
As lentes gravitacionais foram descobertas por meio de pesquisas terrestres, como o Sloan Digital Sky Survey e Dark Energy Survey, que fornecem os mapas tridimensionais mais detalhados do universo já feitos. Os quasares estão localizados a cerca de 10 bilhões de anos-luz da Terra; as galáxias em primeiro plano, cerca de 2 bilhões de anos-luz.
O número de pequenas estruturas detectadas no estudo oferece mais pistas sobre a natureza da matéria escura. "As propriedades das partículas da matéria escura afetam o número de aglomerados que se formam, "Nierenberg explicou." Isso significa que você pode aprender sobre a física das partículas da matéria escura contando o número de pequenos aglomerados.
Contudo, o tipo de partícula que compõe a matéria escura ainda é um mistério. "Atualmente, não há nenhuma evidência direta no laboratório de que existem partículas de matéria escura, "Birrer disse." Os físicos de partículas nem mesmo falariam sobre a matéria escura se os cosmologistas não dissessem que ela está lá, com base nas observações de seus efeitos. Quando nós, cosmologistas, falamos sobre matéria escura, estamos perguntando, 'Como ele governa a aparência do universo, e em que escalas? '"
Os astrônomos serão capazes de conduzir estudos de acompanhamento da matéria escura usando os futuros telescópios espaciais da NASA, como o James Webb Space Telescope e o Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), ambos os observatórios infravermelhos. Webb será capaz de obter com eficiência essas medições para todos os quasares com lentes quadruplicadas conhecidas. A nitidez e o amplo campo de visão do WFIRST ajudarão os astrônomos a fazer observações de toda a região do espaço afetada pelo imenso campo gravitacional de galáxias massivas e aglomerados de galáxias. Isso ajudará os pesquisadores a descobrir muitos mais desses sistemas raros.
A equipe apresentará seus resultados na 235ª reunião da American Astronomical Society em Honolulu, Havaí.
