Simulações do aglomerado de galáxias “El Gordo” sugerem que a matéria escura pode interagir automaticamente, apoiando o modelo de matéria escura de auto-interação (SIDM) em vez do modelo padrão de matéria escura sem colisão. Crédito: SciTechDaily.com
Um novo estudo indica que a matéria escura no aglomerado de galáxias “El Gordo” exibe propriedades colisionais, desafiando o modelo padrão de matéria escura sem colisão.
Ao contrário do que é estabelecido pelo modelo padrão, a matéria escura pode, de facto, interagir consigo mesma. Esta foi a conclusão de uma nova pesquisa realizada por Riccardo Valdarnini do grupo de Astrofísica e Cosmologia do SISSA e publicada em Astronomia e Astrofísica (A&A).
Usando simulações numéricas, o estudo analisou o que acontece dentro de “El Gordo” (literalmente “O Gordo” em espanhol), um aglomerado gigante que se funde a sete bilhões de anos-luz de distância de nós. Os cálculos indicaram que neste cluster a separação física observada entre os pontos de densidade máxima da matéria escura e os dos demais componentes de massa pode ser explicada usando o chamado modelo SIDM (Self-Interacting Dark Matter), em oposição ao modelo padrão um.
Esta pesquisa dá uma importante contribuição a favor do modelo SIDM, segundo o qual as partículas de matéria escura trocam energia por meio de colisões, com interessantes repercussões astrofísicas.
O composto Fat Galaxy Cluster. Crédito: Raio-X: NASA/CXC/Rutgers/J.Hughes et al, Óptico: ESO/VLT/Pontifícia Universidade. Catholica do Chile/L.Infante & SOAR (MSU/NOAO/UNC/CNPq-Brasil)/Rutgers/F.Menanteau, IR: NASA/JPL/Rutgers/F.Menanteau
“El Gordo”: uma gigantesca estrutura cósmica para o estudo da matéria escura
“De acordo com o modelo cosmológico padrão atualmente aceito, a atual densidade de matéria bariônica do Universo pode representar apenas 10% do seu conteúdo total de matéria. Os 90% restantes estão na forma de matéria escura”, explica Riccardo Valdarnini, autor da pesquisa.
“Geralmente pensa-se que esta matéria não é bariônica e é feita de partículas frias sem colisão, que respondem apenas à gravidade. Daí o nome “Cold Dark Matter” (CDM). No entanto, ainda há uma série de observações que ainda não foram explicadas pelo modelo padrão”, afirma o pesquisador. “Para responder a essas questões, vários autores sugerem um modelo alternativo, denominado SIDM.”
Provar as propriedades colisionais da matéria escura e, mais geralmente, de teorias alternativas ao modelo cosmológico padrão é muito complicado: “Existem, no entanto, laboratórios únicos que podem ser muito úteis para este propósito, a muitos anos-luz de distância de nós. Estes são os massivos aglomerados de galáxias, estruturas cósmicas gigantescas que, após a colisão, determinam os eventos mais energéticos desde o Big Bang. Com uma massa de cerca de 1015 massas solares, El Gordo é um dos maiores aglomerados de galáxias que conhecemos. Pelas suas peculiaridades, El Gordo tem sido objeto de numerosos estudos, tanto teóricos como observacionais.”
A matéria escura pode ser colisional
De acordo com o paradigma padrão, durante a fusão de um aglomerado, o comportamento do componente de massa de gás colisional será diferente daquele dos outros dois componentes – galáxias e matéria escura. Neste cenário, o gás dissipará parte da sua energia inicial.
“É por isso que, após a colisão, o pico de densidade de massa do gás ficará atrás dos da matéria escura e das galáxias”, explica Valdarnini.
Com o modelo SIDM, no entanto, um fenómeno peculiar deve ser observado, nomeadamente a separação física dos centróides da matéria escura — os seus pontos de densidade máxima — daqueles de outros componentes de massa com peculiaridades que representam uma verdadeira “Assinatura dos modelos SIDM”. Segundo observações, é exatamente isso que acontece dentro de “El Gordo”.
Observando El Gordo
“Comecemos pelas observações”, explica Valdarnini. El Gordo consiste em dois subaglomerados massivos, denominados respectivamente noroeste (NW) e sudeste (SE). A imagem de raios X do aglomerado “El Gordo” mostra um único pico de emissão de raios X no subaglomerado SE e duas caudas tênues alongadas além do pico de raios X. Uma característica digna de nota é a localização do pico dos diferentes componentes de massa. Ao contrário do que pode ser visto no aglomerado Bullet, outro exemplo importante de aglomerado em colisão, o pico de raios X precede o pico de matéria escura SE.
“Além disso, o aglomerado de galáxias mais brilhante (BCG) não está apenas seguindo o pico de raios X, mas também parece estar espacialmente deslocado do centróide de massa SE. Outro aspecto notável pode ser visto no aglomerado NW, onde o pico de densidade numérica da galáxia é espacialmente deslocado do pico de massa correspondente.”
Os resultados da pesquisa sugerem a matéria escura colisional como uma explicação para os fenômenos observados em “El Gordo”
Para explicar suas descobertas e validar os modelos SIDM, no estudo publicado em Astronomia e Astrofísica, Valdarnini usou um grande conjunto das chamadas simulações hidrodinâmicas/N-corpos. Assim, realizou um estudo sistemático com o objetivo de reproduzir as características observacionais de “El Gordo”.
“O resultado mais significativo deste estudo de simulação é que as separações relativas observadas entre os diferentes centróides de massa do aglomerado “El Gordo” são naturalmente explicadas se a matéria escura interagir sozinha”, afirma Valdarnini. “Por esta razão, estas descobertas fornecem uma assinatura inequívoca de um comportamento da matéria escura que exibe propriedades colisionais numa colisão de aglomerados com alto redshift muito energético.
“Existem, no entanto, inconsistências, uma vez que os valores da secção transversal do SIDM obtidos a partir destas simulações são superiores aos limites superiores actuais, que são de ordem unitária em escalas de cluster. Isto sugere que os atuais modelos SIDM devem ser considerados apenas como uma aproximação de baixa ordem, e que os processos físicos subjacentes que descrevem a interação da matéria escura em grandes fusões de aglomerados são mais complexos do que podem ser adequadamente representados pela abordagem comumente assumida baseada na dispersão. de partículas de matéria escura.
“O estudo apresenta um argumento convincente para a possibilidade de matéria escura auto-interativa entre aglomerados em colisão como uma alternativa ao paradigma padrão da matéria escura sem colisão.”
Referência: “Um estudo de simulação de N-corpos/hidrodinâmica do aglomerado em fusão El Gordo: Um caso convincente para matéria escura autointeragente?” por R. Valdarnini, 12 de abril de 2024, Astronomia e Astrofísica.
DOI: 10.1051/0004-6361/202348000
