Por muitos anos agora, astrônomos e físicos estiveram em conflito. É a misteriosa matéria escura que observamos nas profundezas do Universo real, ou o que vemos é o resultado de desvios sutis das leis da gravidade como as conhecemos? Em 2016, O físico holandês Erik Verlinde propôs uma teoria do segundo tipo:a gravidade emergente. Nova pesquisa, publicado em Astronomia e Astrofísica esta semana, empurra os limites das observações de matéria escura para as regiões externas desconhecidas das galáxias, e, ao fazer isso, reavalia vários modelos de matéria escura e teorias alternativas da gravidade. Medições da gravidade de 259, 000 galáxias isoladas mostram uma relação muito próxima entre as contribuições da matéria escura e as da matéria comum, conforme previsto na teoria da gravidade emergente de Verlinde e em um modelo alternativo denominado Dinâmica Newtoniana Modificada. Contudo, os resultados também parecem concordar com uma simulação de computador do Universo que assume que a matéria escura é 'material real'.

A nova pesquisa foi realizada por uma equipe internacional de astrônomos, liderado por Margot Brouwer (RUG e UvA). Outros papéis importantes foram desempenhados por Kyle Oman (RUG e Durham University) e Edwin Valentijn (RUG). Em 2016, Brouwer também realizou um primeiro teste com as idéias de Verlinde; desta vez, O próprio Verlinde também se juntou à equipe de pesquisa.

Matéria ou gravidade?

Até aqui, a matéria escura nunca foi observada diretamente - daí o nome. O que os astrônomos observam no céu noturno são as consequências da matéria que está potencialmente presente:curvatura da luz das estrelas, estrelas que se movem mais rápido do que o esperado, e até mesmo efeitos no movimento de galáxias inteiras. Sem dúvida, todos esses efeitos são causados ​​pela gravidade, mas a questão é:estamos realmente observando a gravidade adicional, causado por matéria invisível, ou as próprias leis da gravidade são algo que ainda não compreendemos totalmente?

Para responder a esta pergunta, a nova pesquisa usa um método semelhante ao usado no teste original em 2016. Brouwer e seus colegas fazem uso de uma série contínua de medições fotográficas que começou há dez anos:o KiloDegree Survey (KiDS), realizado usando o VLT Survey Telescope do ESO no Chile. Nessas observações, mede-se como a luz das estrelas de galáxias distantes é desviada pela gravidade em seu caminho para nossos telescópios. Considerando que em 2016 as medições de tais 'efeitos de lente' cobriram apenas uma área de cerca de 180 graus quadrados no céu noturno, nesse meio tempo, isso foi estendido para cerca de 1000 graus quadrados, permitindo aos pesquisadores medir a distribuição da gravidade em cerca de um milhão de galáxias diferentes.

Teste comparativo

Brouwer e seus colegas selecionaram mais de 259, 000 galáxias isoladas, para o qual eles foram capazes de medir a chamada 'Relação de aceleração radial' (RAR). Este RAR compara a quantidade de gravidade esperada com base na matéria visível na galáxia, à quantidade de gravidade que está realmente presente - em outras palavras:o resultado mostra quanta gravidade 'extra' existe, além disso devido à matéria normal. Até agora, a quantidade de gravidade extra só foi determinada nas regiões externas das galáxias, observando os movimentos das estrelas, e em uma região cerca de cinco vezes maior medindo a velocidade de rotação do gás frio. Usando os efeitos de lente da gravidade, os pesquisadores agora foram capazes de determinar o RAR em forças gravitacionais que eram cem vezes menores, permitindo-lhes penetrar muito mais profundamente nas regiões distantes das galáxias individuais.

Isso tornou possível medir a gravidade extra com extrema precisão, mas essa gravidade é o resultado de matéria escura invisível, ou precisamos melhorar nossa compreensão da própria gravidade? O autor Kyle Oman indica que a suposição de 'coisas reais', pelo menos parcialmente, parece funcionar:"Em nossa pesquisa, comparamos as medidas a quatro modelos teóricos diferentes:dois que assumem a existência de matéria escura e formam a base das simulações de computador do nosso universo, e dois que modificam as leis da gravidade - o modelo de gravidade emergente de Erik Verlinde e a chamada 'Dinâmica Newtoniana Modificada' ou MOND. Uma das duas simulações de matéria escura, CAMUNDONGOS, faz previsões que correspondem muito bem às nossas medições. Foi uma surpresa para nós que a outra simulação, BAHAMAS, levou a previsões muito diferentes. O fato de as previsões dos dois modelos diferirem em tudo já era surpreendente, uma vez que os modelos são tão semelhantes. Mas, além disso, seria de se esperar que se uma diferença aparecesse, BAHAMAS teria o melhor desempenho. BAHAMAS é um modelo muito mais detalhado do que MICE, aproximando nosso entendimento atual de como as galáxias se formam em um universo com matéria escura muito mais próxima. Ainda, O MICE tem um desempenho melhor se compararmos suas previsões com nossas medições. No futuro, com base em nossas descobertas, queremos investigar mais a fundo o que causa as diferenças entre as simulações. "

Galáxias jovens e velhas

Assim, parece que, pelo menos um modelo de matéria escura parece funcionar. Contudo, os modelos alternativos de gravidade também prevêem o RAR medido. Um impasse, ao que parece - então, como descobrimos qual modelo é o correto? Margot Brouwer, que liderou a equipe de pesquisa, continua:"Com base em nossos testes, nossa conclusão original foi que os dois modelos alternativos de gravidade e MICE combinaram as observações razoavelmente bem. Contudo, a parte mais emocionante ainda estava por vir:porque tínhamos acesso a mais de 259, 000 galáxias, poderíamos dividi-los em vários tipos - relativamente jovens, galáxias espirais azuis versus relativamente antigas, galáxias elípticas vermelhas. "Esses dois tipos de galáxias surgem de maneiras muito diferentes:galáxias elípticas vermelhas se formam quando galáxias diferentes interagem, por exemplo, quando duas galáxias espirais azuis passam perto uma da outra, ou mesmo colidir. Como resultado, a expectativa dentro da teoria das partículas da matéria escura é que a razão entre a matéria regular e a escura nos diferentes tipos de galáxias pode variar. Modelos como a teoria de Verlinde e MOND, por outro lado, não fazem uso de partículas de matéria escura, e, portanto, prever uma proporção fixa entre a gravidade esperada e medida nos dois tipos de galáxias, ou seja, independente de seu tipo. Brouwer:"Descobrimos que os RARs para os dois tipos de galáxias diferiam significativamente. Isso seria um forte indício da existência de matéria escura como uma partícula."

Contudo, há uma advertência:gás. Muitas galáxias estão provavelmente rodeadas por uma nuvem difusa de gás quente, o que é muito difícil de observar. Se fosse o caso de quase não haver gás em torno de jovens galáxias espirais azuis, mas aquelas velhas galáxias elípticas vermelhas vivem em uma grande nuvem de gás - com aproximadamente a mesma massa das próprias estrelas - então isso poderia explicar a diferença no RAR entre os dois tipos. Para chegar a um julgamento final sobre a diferença medida, portanto, também seria necessário medir as quantidades de gás difuso - e isso é exatamente o que não é possível usando os telescópios KiDS. Outras medições foram feitas para um pequeno grupo de cerca de cem galáxias, e essas medições de fato encontraram mais gás em torno de galáxias elípticas, mas ainda não está claro o quão representativas essas medições são para o 259, 000 galáxias que foram estudadas na pesquisa atual.

Matéria escura pela vitória?

Se for descoberto que o gás extra não pode explicar a diferença entre os dois tipos de galáxias, então, os resultados das medições são mais fáceis de entender em termos de partículas de matéria escura do que em termos de modelos alternativos de gravidade. Mas mesmo assim, o assunto ainda não está resolvido. Embora as diferenças medidas sejam difíceis de explicar usando MOND, Erik Verlinde ainda vê uma saída para seu próprio modelo. Verlinde:"Meu modelo atual só se aplica à estática, isolado, galáxias esféricas, portanto, não se pode esperar que distinga os diferentes tipos de galáxias. Eu vejo esses resultados como um desafio e inspiração para desenvolver uma assimetria, versão dinâmica da minha teoria, em que galáxias com forma e história diferentes podem ter uma quantidade diferente de 'matéria escura aparente'. "

Portanto, mesmo após as novas medições, a disputa entre a matéria escura e as teorias da gravidade alternativa ainda não foi resolvida. Ainda, os novos resultados são um grande passo à frente:se a diferença medida na gravidade entre os dois tipos de galáxias estiver correta, então o modelo final, qualquer que seja, terá que ser preciso o suficiente para explicar essa diferença. Isso significa, em particular, que muitos modelos existentes podem ser descartados, o que afina consideravelmente o panorama de possíveis explicações. Além disso, a nova pesquisa mostra que medições sistemáticas do gás quente ao redor das galáxias são necessárias. Edwin Valentijn formula é o seguinte:"Como astrônomos observacionais, chegamos ao ponto em que somos capazes de medir a gravidade extra ao redor das galáxias com mais precisão do que podemos medir a quantidade de matéria visível. A conclusão contra-intuitiva é que devemos primeiro medir a presença de matéria comum na forma de gás quente ao redor das galáxias, antes que futuros telescópios como Euclides possam finalmente resolver o mistério da matéria escura. "