Assim como o sol tem planetas e os planetas têm luas, nossa galáxia tem galáxias satélite, e alguns deles podem ter suas próprias galáxias satélites menores. Para saber, a Grande Nuvem de Magalhães (LMC), uma galáxia satélite relativamente grande visível do hemisfério sul, acredita-se que tenha trazido pelo menos seis de suas próprias galáxias satélites quando se aproximou da Via Láctea pela primeira vez, com base em medições recentes da missão Gaia da Agência Espacial Europeia.

Os astrofísicos acreditam que a matéria escura é responsável por grande parte dessa estrutura, e agora os pesquisadores do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia e da Pesquisa de Energia Escura recorreram a observações de galáxias fracas ao redor da Via Láctea para colocar restrições mais rígidas na conexão entre o tamanho e a estrutura das galáxias e os halos de matéria escura que as cercam . Ao mesmo tempo, eles encontraram mais evidências da existência de galáxias satélites LMC e fizeram uma nova previsão:Se os modelos dos cientistas estiverem corretos, a Via Láctea deve ter 150 ou mais galáxias satélites adicionais aguardando serem descobertas por projetos de próxima geração, como o Legacy Survey of Space and Time do Vera C. Rubin Observatory.

O novo estudo, próximo no Astrophysical Journal e disponível como uma pré-impressão aqui, faz parte de um esforço maior para entender como a matéria escura funciona em escalas menores que a nossa galáxia, disse Ethan Nadler, o primeiro autor do estudo e um estudante de graduação no Instituto Kavli de Astrofísica e Cosmologia de Partículas (KIPAC) e na Universidade de Stanford.

"Nós sabemos algumas coisas sobre a matéria escura muito bem - quanta matéria escura existe, como ele se agrupa, mas todas essas declarações são qualificadas por dizer, sim, é assim que ele se comporta em escalas maiores do que o tamanho do nosso grupo local de galáxias, "Nadler disse." E então a questão é, isso funciona nas menores escalas que podemos medir? "

Luz de galáxias brilhando na matéria escura

Os astrônomos sabem há muito tempo que a Via Láctea tem galáxias satélites, incluindo a Grande Nuvem de Magalhães, que pode ser visto a olho nu no hemisfério sul, mas o número era estimado em cerca de apenas uma dúzia até por volta do ano 2000. Desde então, o número de galáxias satélites observadas aumentou dramaticamente. Graças ao Sloan Digital Sky Survey e às descobertas mais recentes de projetos incluindo o Dark Energy Survey (DES), o número de galáxias satélites conhecidas aumentou para cerca de 60.

Essas descobertas são sempre emocionantes, mas o que talvez seja mais empolgante é o que os dados podem nos dizer sobre o cosmos. "Pela primeira vez, podemos procurar por essas galáxias satélites em cerca de três quartos do céu, e isso é muito importante para várias maneiras diferentes de aprender sobre a matéria escura e a formação de galáxias, "disse Risa Wechsler, diretor da KIPAC. Ano passado, por exemplo, Wechsler, Nadler e seus colegas usaram dados de galáxias satélites em conjunto com simulações de computador para colocar limites muito mais rígidos nas interações da matéria escura com a matéria comum.

Agora, Wechsler, Nadler e a equipe DES estão usando dados de uma pesquisa abrangente na maior parte do céu para fazer perguntas diferentes, incluindo quanta matéria escura é necessária para formar uma galáxia, quantas galáxias satélites devemos esperar encontrar ao redor da Via Láctea e se as galáxias podem colocar seus próprios satélites em órbita ao redor da nossa - uma previsão chave do modelo mais popular de matéria escura.

Dicas de hierarquia galáctica

A resposta a essa última pergunta parece ser um retumbante "sim".

A possibilidade de detectar uma hierarquia de galáxias satélites surgiu há alguns anos, quando o DES detectou mais galáxias satélites nas proximidades da Grande Nuvem de Magalhães do que seria de esperar se esses satélites estivessem distribuídos aleatoriamente no céu. Essas observações são particularmente interessantes, Nadler disse, à luz das medições de Gaia, que indicou que seis dessas galáxias satélites caíram na Via Láctea com o LMC.

Para estudar os satélites do LMC mais profundamente, Nadler e sua equipe analisaram simulações de computador de milhões de universos possíveis. Essas simulações, originalmente dirigido por Yao-Yuan Mao, um ex-aluno de pós-graduação da Wechsler que agora está na Rutgers University, modelar a formação da estrutura da matéria escura que permeia a Via Láctea, incluindo detalhes como aglomerados menores de matéria escura dentro da Via Láctea que devem hospedar galáxias satélites. Para conectar a matéria escura à formação de galáxias, os pesquisadores usaram um modelo flexível que lhes permite levar em conta as incertezas na compreensão atual da formação de galáxias, incluindo a relação entre o brilho das galáxias e a massa de aglomerados de matéria escura dentro dos quais elas se formam.

Um esforço liderado pelos outros na equipe DES, incluindo ex-alunos do KIPAC Alex Drlica-Wagner, Wilson Fellow no Fermilab e professor assistente de astronomia e astrofísica na Universidade de Chicago, e Keith Bechtol, um professor assistente de física na Universidade de Wisconsin-Madison, e seus colaboradores produziram a etapa final crucial:um modelo de quais galáxias satélites são mais prováveis ​​de serem vistas por pesquisas atuais, dado onde eles estão no céu, bem como seu brilho, tamanho e distância.

Esses componentes em mãos, a equipe executou seu modelo com uma ampla gama de parâmetros e procurou por simulações nas quais objetos parecidos com LMC caíram na atração gravitacional de uma galáxia parecida com a Via Láctea. Ao comparar esses casos com observações galácticas, eles poderiam inferir uma série de parâmetros astrofísicos, incluindo quantas galáxias satélites deveriam ter sido marcadas junto com o LMC. Os resultados, Nadler disse, foram consistentes com as observações de Gaia:Seis galáxias satélites devem ser detectadas atualmente nas proximidades do LMC, movendo-se aproximadamente com as velocidades certas e em aproximadamente os mesmos lugares que os astrônomos haviam observado anteriormente. As simulações também sugeriram que o LMC se aproximou pela primeira vez da Via Láctea cerca de 2,2 bilhões de anos atrás, consistente com medições de alta precisão do movimento do LMC do Telescópio Espacial Hubble.

Galáxias ainda não vistas

Além das descobertas do LMC, a equipe também colocou limites na conexão entre os halos de matéria escura e a estrutura da galáxia. Por exemplo, em simulações que mais se aproximam da história da Via Láctea e do LMC, as menores galáxias que os astrônomos podem observar atualmente deveriam ter estrelas com uma massa combinada de cerca de cem sóis, e cerca de um milhão de vezes mais matéria escura. De acordo com uma extrapolação do modelo, as galáxias mais fracas que já puderam ser observadas podiam se formar em halos até cem vezes menos massivo do que isso.

E pode haver mais descobertas por vir:se as simulações estiverem corretas, Nadler disse, existem cerca de 100 galáxias satélites - mais do que o dobro do número já descoberto - pairando ao redor da Via Láctea. A descoberta dessas galáxias ajudaria a confirmar o modelo dos pesquisadores das ligações entre a matéria escura e a formação de galáxias, ele disse, e provavelmente colocam restrições mais rígidas sobre a natureza da própria matéria escura.

A pesquisa foi um esforço colaborativo dentro do Dark Energy Survey, liderado pelo Grupo de Trabalho da Via Láctea, com contribuições substanciais de membros juniores, incluindo Sidney Mau, um graduando da Universidade de Chicago, e Mitch McNanna, um estudante de graduação na UW-Madison. A pesquisa foi apoiada por uma bolsa de graduação da National Science Foundation, pelo Gabinete de Ciência do Departamento de Energia através do SLAC, e pela Universidade de Stanford.