Observações do Hubble Space Telescope da NASA / ESA e do Very Large Telescope do European Southern Observatory (VLT) no Chile descobriram que algo pode estar faltando nas teorias de como a matéria escura se comporta. Este ingrediente ausente pode explicar porque os pesquisadores descobriram uma discrepância inesperada entre as observações das concentrações de matéria escura em uma amostra de aglomerados de galáxias massivas e simulações de computador teóricas de como a matéria escura deve ser distribuída em aglomerados. As novas descobertas indicam que algumas concentrações em pequena escala de matéria escura produzem efeitos de lente que são 10 vezes mais fortes do que o esperado.

A matéria escura é a cola invisível que mantém as estrelas, pó, e gás juntos em uma galáxia. Esta substância misteriosa constitui a maior parte da massa de uma galáxia e forma a base da estrutura em grande escala do nosso Universo. Porque a matéria escura não emite, absorver, ou refletir luz, sua presença só é conhecida por meio de sua atração gravitacional sobre a matéria visível no espaço. Astrônomos e físicos ainda estão tentando definir o que é.

Aglomerados de galáxias, as estruturas mais massivas e recentemente montadas no Universo, são também os maiores repositórios de matéria escura. Os aglomerados são compostos de galáxias membros individuais que são mantidas juntas em grande parte pela gravidade da matéria escura.

"Os aglomerados de galáxias são laboratórios ideais para estudar se as simulações numéricas do Universo disponíveis atualmente reproduzem bem o que podemos inferir das lentes gravitacionais, "disse Massimo Meneghetti do INAF-Observatório de Astrofísica e Ciências Espaciais de Bolonha, na Itália, o principal autor do estudo.

"Fizemos muitos testes dos dados neste estudo, e temos certeza de que essa incompatibilidade indica que algum ingrediente físico está faltando nas simulações ou em nosso entendimento da natureza da matéria escura, "acrescentou Meneghetti.

"Há uma característica do Universo real que simplesmente não estamos capturando em nossos modelos teóricos atuais, "acrescentou Priyamvada Natarajan da Universidade de Yale em Connecticut, NÓS., um dos teóricos seniores da equipe. "Isso pode sinalizar uma lacuna em nossa compreensão atual da natureza da matéria escura e suas propriedades, já que esses dados requintados nos permitiram sondar a distribuição detalhada da matéria escura nas escalas menores. "

A distribuição da matéria escura em aglomerados é mapeada medindo-se a curvatura da luz - o efeito de lente gravitacional - que eles produzem. A gravidade da matéria escura concentrada em aglomerados amplia e distorce a luz de objetos de fundo distantes. Este efeito produz distorções nas formas das galáxias de fundo que aparecem nas imagens dos aglomerados. As lentes gravitacionais também podem produzir várias imagens da mesma galáxia distante.

Quanto maior a concentração de matéria escura em um aglomerado, mais dramático é seu efeito de curvatura de luz. A presença de aglomerados de matéria escura em menor escala associados a aglomerados de galáxias individuais aumenta o nível de distorções. Em algum sentido, o aglomerado de galáxias atua como uma lente de grande escala que possui muitas lentes menores embutidas.

As imagens nítidas do Hubble foram obtidas pela Wide Field Camera 3 e Advanced Camera for Surveys do telescópio. Juntamente com espectros do Very Large Telescope (VLT) do European Southern Observatory, a equipe produziu um preciso, alta fidelidade, mapa de matéria escura. Medindo as distorções das lentes, os astrônomos puderam rastrear a quantidade e distribuição da matéria escura. Os três principais aglomerados de galáxias, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403, e Abell S1063, fizeram parte de duas pesquisas do Hubble:The Frontier Fields e a pesquisa Cluster Lensing and Supernova with Hubble (CLASH).

To the team's surprise, in addition to the dramatic arcs and elongated features of distant galaxies produced by each cluster's gravitational lensing, the Hubble images also revealed an unexpected number of smaller-scale arcs and distorted images nested near each cluster's core, where the most massive galaxies reside. The researchers believe the nested lenses are produced by the gravity of dense concentrations of matter inside the individual cluster galaxies. Follow-up spectroscopic observations measured the velocity of the stars orbiting inside several of the cluster galaxies to therby pin down their masses.

"The data from Hubble and the VLT provided excellent synergy, " shared team member Piero Rosati of the Università degli Studi di Ferrara in Italy, who led the spectroscopic campaign. "We were able to associate the galaxies with each cluster and estimate their distances."

"The speed of the stars gave us an estimate of each individual galaxy's mass, including the amount of dark matter, " added team member Pietro Bergamini of the INAF-Observatory of Astrophysics and Space Science in Bologna, Itália.

By combining Hubble imaging and VLT spectroscopy, the astronomers were able to identify dozens of multiply imaged, com lentes, background galaxies. This allowed them to assemble a well-calibrated, high-resolution map of the mass distribution of dark matter in each cluster.

The team compared the dark-matter maps with samples of simulated galaxy clusters with similar masses, located at roughly the same distances. The clusters in the computer model did not show any of the same level of dark-matter concentration on the smallest scales—the scales associated with individual cluster galaxies.

"The results of these analyses further demonstrate how observations and numerical simulations go hand in hand", said team member Elena Rasia of the INAF-Astronomical Observatory of Trieste, Itália.

"With high-resolution simulations, we can match the quality of observations analyzed in our paper, permitting detailed comparisons like never before, " added Stefano Borgani of the Università degli Studi di Trieste, Itália.

Astronomers, including those of this team, look forward to continuing to probe dark matter and its mysteries in order to finally pin down its nature.