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As qualidades e o comportamento da matéria escura, a “cola” invisível do universo, continuam envoltas em mistério. Embora as galáxias sejam feitas principalmente de matéria escura, entender como ela é distribuída dentro de uma galáxia oferece pistas sobre o que é essa substância e como ela é relevante para a evolução de uma galáxia.
Enquanto simulações de computador sugerem que a matéria escura deve se acumular no centro de uma galáxia, chamado de cúspide de densidade, muitas observações telescópicas anteriores indicaram que ela está mais uniformemente dispersa por toda a galáxia. A razão para essa tensão entre modelo e observação continua a confundir os astrônomos, reforçando o mistério da matéria escura.
Uma equipe de astrônomos se voltou para o Telescópio Espacial Hubble da NASA para tentar esclarecer esse debate medindo os movimentos dinâmicos das estrelas dentro da galáxia anã Draco, um sistema localizado a aproximadamente 250.000 anos-luz da Terra. Usando observações que abrangeram 18 anos, eles conseguiram construir a compreensão tridimensional mais precisa dos movimentos das estrelas dentro da galáxia diminuta. Isso exigiu vasculhar quase duas décadas de observações arquivadas do Hubble da galáxia Draco.
“Nossos modelos tendem a concordar mais com uma estrutura semelhante a uma cúspide, que se alinha com modelos cosmológicos”, disse Eduardo Vitral do Space Telescope Science Institute (STScI) em Baltimore e autor principal do estudo. “Embora não possamos dizer definitivamente que todas as galáxias contêm uma distribuição de matéria escura semelhante a uma cúspide, é emocionante ter dados tão bem medidos que superam tudo o que tivemos antes.”
Mapeando os movimentos das estrelas
Para aprender sobre a matéria escura dentro de uma galáxia, os cientistas podem olhar para suas estrelas e seus movimentos que são dominados pela atração da matéria escura. Uma abordagem comum para medir a velocidade de objetos se movendo no espaço é pelo Efeito Doppler — uma mudança observada no comprimento de onda da luz se uma estrela está se aproximando ou se afastando da Terra. Embora essa velocidade de linha de visão possa fornecer insights valiosos, apenas uma parte pode ser obtida dessa fonte unidimensional de informações.
Além de se moverem para mais perto ou mais longe de nós, as estrelas também se movem pelo céu, medido como seu movimento próprio. Ao combinar a velocidade da linha de visão com movimentos próprios, a equipe criou uma análise sem precedentes dos movimentos 3D das estrelas.
“Melhorias em dados e melhorias em modelagem geralmente andam de mãos dadas”, explicou Roeland van der Marel da STScI, um coautor do artigo que iniciou o estudo há mais de 10 anos. “Se você não tem dados muito sofisticados ou apenas dados unidimensionais, então modelos relativamente simples podem frequentemente se encaixar. Quanto mais dimensões e complexidade de dados você reunir, mais complexos seus modelos precisam ser para realmente capturar todas as sutilezas dos dados.”
Uma maratona científica (não uma corrida de velocidade)
Como as galáxias anãs são conhecidas por terem uma proporção maior de matéria escura do que outros tipos de galáxias, a equipe se concentrou na galáxia anã Draco, que é um satélite relativamente pequeno e esferoidal próximo da Via Láctea.
“Ao medir movimentos próprios, você observa a posição de uma estrela em uma época e, muitos anos depois, mede a posição dessa mesma estrela. Você mede o deslocamento para determinar o quanto ela se moveu”, explicou Sangmo Tony Sohn do STScI, outro coautor do artigo e o principal pesquisador do mais recente programa observacional. “Para esse tipo de observação, quanto mais você esperar, melhor poderá medir o deslocamento das estrelas.”
A equipe analisou uma série de épocas abrangendo de 2004 a 2022, uma linha de base extensa que somente o Hubble poderia oferecer, devido à combinação de sua visão estável e nítida e tempo recorde em operação. O rico arquivo de dados do telescópio ajudou a diminuir o nível de incerteza na medição dos movimentos próprios das estrelas. A precisão é equivalente a medir um deslocamento anual um pouco menor que a largura de uma bola de golfe, como visto na Lua da Terra.
Com três dimensões de dados, a equipe reduziu a quantidade de suposições aplicadas em estudos anteriores e considerou características específicas da galáxia — como sua rotação e distribuição de suas estrelas e matéria escura — em seus próprios esforços de modelagem.
Um futuro emocionante
As metodologias e modelos desenvolvidos para a galáxia anã Draco podem ser aplicados a outras galáxias no futuro. A equipe já está analisando observações do Hubble da galáxia anã Sculptor e da galáxia anã Ursa Minor.
Estudar a matéria escura requer observar diferentes ambientes galácticos e também envolve colaboração entre diferentes missões de telescópios espaciais. Por exemplo, o futuro Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA ajudará a revelar novos detalhes das propriedades da matéria escura entre diferentes galáxias, graças à sua capacidade de pesquisar grandes faixas do céu.
“Esse tipo de estudo é um investimento de longo prazo e requer muita paciência”, refletiu Vitral. “Conseguimos fazer essa ciência por causa de todo o planejamento que foi feito ao longo dos anos para realmente reunir esses dados. Os insights que coletamos são o resultado de um grupo maior de pesquisadores que vem trabalhando nessas coisas há muitos anos.”
Esses resultados são aceitos para publicação em O Jornal Astrofísico.
O Telescópio Espacial Hubble está operando há mais de três décadas e continua a fazer descobertas inovadoras que moldam nossa compreensão fundamental do universo. O Hubble é um projeto de cooperação internacional entre a NASA e a ESA (Agência Espacial Europeia). O Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, gerencia o telescópio e as operações da missão. A Lockheed Martin Space, sediada em Denver, Colorado, também dá suporte às operações da missão em Goddard. O Space Telescope Science Institute (STScI) em Baltimore, Maryland, que é operado pela Association of Universities for Research in Astronomy, conduz as operações científicas do Hubble para a NASA.
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