Os pesquisadores medem a velocidade da matéria escura estudando galáxias desequilibradas afetadas pelo atrito dinâmico causado pela matéria escura. Este método auxilia na compreensão das interações entre galáxias e matéria escura, auxiliando a física teórica e a cosmologia. Crédito: SciTechDaily.com
O estudo de galáxias desequilibradas revela como os efeitos gravitacionais e a fricção dinâmica podem iluminar os mistérios da matéria escura, avançando a nossa compreensão em cosmologia.
Então, como pode ser medida a velocidade da matéria escura? O pré-requisito é encontrar uma galáxia no universo que se mova em relação à matéria escura. Como tudo no universo está em movimento e existe uma grande quantidade de matéria escura, não é difícil encontrar tais galáxias.
Objetos pesados, como galáxias, atraem todos os tipos de matéria, seja matéria escura ou matéria visível que encontramos diariamente. À medida que a matéria escura passa por uma galáxia, a galáxia começa a puxar as partículas de matéria escura em sua direção. No entanto, a mudança de direção da velocidade das partículas leva tempo. Antes de sua trajetória se curvar em direção à galáxia, eles já conseguem passar pela galáxia.
O papel do atrito dinâmico
Assim, as partículas de matéria escura não entram na galáxia, mas movem-se para trás da galáxia (ver vídeo abaixo). Atrás da galáxia, portanto, a densidade da matéria aumenta, e isso leva a uma desaceleração da galáxia – um fenômeno chamado atrito dinâmico. A força do atrito dinâmico, por sua vez, depende da rapidez com que as partículas de matéria escura passam pela galáxia, ou seja, de quanto tempo a galáxia tem tempo para mudar a trajetória das partículas de matéria escura. Quando as partículas passam lentamente, a densidade da matéria aumenta mais perto da galáxia, fazendo com que ela desacelere ainda mais.
O ponto verde representa uma galáxia, e os painéis superiores mostram o movimento das partículas de matéria escura além da galáxia (se existir uma galáxia no painel correspondente). Os painéis inferiores mostram a forma de todas as trajetórias, demonstrando que o campo gravitacional de uma galáxia afeta as partículas de matéria, criando uma densidade excessiva atrás da galáxia. A densidade excessiva novamente desacelera a galáxia e distorce sua forma. Crédito: Rain Kipper
Compreendendo as formas das galáxias e a matéria escura
Suponhamos que a galáxia que causa o atrito dinâmico não seja pequena, mas grande. Neste caso, a densidade excessiva por trás dela gera atrito de diferentes intensidades em diferentes pontos da galáxia, como pode ser visto na Figura 1. A diferença no atrito torna o formato da galáxia mais desequilibrado. Experimentamos uma mudança de forma semelhante na Terra aos ciclos de marés – marés altas e marés baixas causadas pela gravidade da lua.
É irrelevante o tamanho que as partículas de matéria escura acabarão por ter – a sua órbita ainda se curva atrás da galáxia. O método poderia não produzir resultados precisos se as partículas fossem comparáveis em tamanho às próprias galáxias. No entanto, estes modelos de matéria escura já estão excluídos.
Figura 1. Atrito dinâmico. Os painéis retratam áreas esparsas do universo com cores escuras e áreas densas com cores claras. Os painéis superiores mostram a densidade em torno de uma galáxia se a gravidade da galáxia curva (esquerda) ou não (direita) as trajetórias das partículas de matéria escura. O painel inferior mostra a diferença entre eles, ou como a galáxia afeta a distribuição da matéria escura. As setas representam a aceleração causada pela densidade excessiva atrás da galáxia, da qual é deduzido o atrito no centro da galáxia. Como as setas têm diferentes direções e intensidades em diferentes áreas, as forças das marés são capazes de alterar a forma de uma galáxia. Crédito: Rain Kipper
Encontrar as galáxias desequilibradas não é difícil, porque elas representam cerca de 30% de todas as galáxias no espaço sideral. Claro, depende muito de quão longe olhar nas partes externas de uma galáxia e que nível de desequilíbrio considera uma galáxia desequilibrada.
Além disso, a forma torta de uma galáxia pode não ser causada apenas pelo atrito dinâmico. Há uma série de outras razões para isso. Por exemplo, as galáxias que se formaram após a colisão de várias galáxias podem ser assimétricas. Neste caso, contudo, deveríamos ser capazes de detectar em algum lugar dentro da galáxia o núcleo de outra galáxia ou um halo estelar maior. O desequilíbrio galáctico também pode ser causado por um fluxo constante de gás. Em tais situações, a forma da galáxia levará alguns bilhões de anos para se recuperar.
Conclusão e pesquisas futuras
Assim, para medir as velocidades da matéria escura, precisamos de uma galáxia desequilibrada que esteja o mais isolada possível de outras galáxias. Neste caso, é mais certo que nada lhe aconteceu além da passagem da matéria escura.
Nesta pesquisa, descobrimos como calcular com precisão as forças que afetam as galáxias nos ciclos de marés. A próxima etapa é encontrar galáxias suficientemente desequilibradas no universo para estudar a velocidade da matéria escura em relação às galáxias.
A cosmologia é um importante polígono de teste da física teórica. Calcular a velocidade da matéria escura pode ser importante para testar novos modelos de matéria escura e levantar o véu de segredo sobre a natureza da matéria escura.
Referência: “De volta ao presente: Um tratamento geral do campo de marés a partir da esteira do atrito dinâmico” por Rain Kipper, Peter Tenjes, Maria Benito, Punyakoti Ganeshaiah Veena, Aikaterini Niovi Triantafyllakki, Indrek Vurm, Moorits Mihkel Muru, Maret Einasto e Elmo Tempel, 15 de dezembro de 2023, Astronomia e Astrofísica.
DOI: 10.1051/0004-6361/202347235
