Uma galáxia quase invisível no meio de um aglomerado revela uma gravidade enorme

No meio de um mar de galáxias brilhantes, surge um objeto que quase não emite luz - mas exerce uma atração gravitacional imensa.

Astrónomos utilizaram o Telescópio Espacial Hubble para estudar com mais detalhe uma galáxia enigmática, praticamente impercetível, que parece ser composta quase por completo por matéria escura. Este sistema estranho pertence a uma categoria que os especialistas designam por galáxias ultra-difusas: têm dimensões muito grandes, mas contêm pouquíssimas estrelas e muito pouco brilho. É precisamente essa combinação que as torna um teste fascinante para as ideias que temos sobre a formação das estruturas no Universo.

O que o Hubble realmente distinguiu nesta galáxia ultra-difusa

À primeira vista, a nova imagem não parece especialmente marcante: um aglomerado de galáxias muito compacto, milhares de pontos luminosos e, espalhadas entre eles, manchas difusas e distantes. Porém, no meio dessa confusão esconde-se uma galáxia quase transparente. O seu brilho é tão fraco que só se torna visível quando os investigadores a procuram de forma direcionada.

A galáxia denuncia-se não pela sua própria luz, mas pelos objetos que a rodeiam em órbita: pequenos e brilhantes enxames globulares.

Esses enxames globulares são agrupamentos de centenas de milhares de estrelas antigas. Ao contrário das estrelas da própria galáxia, que estão distribuídas de forma extremamente dispersa, estes enxames são muito mais compactos e fáceis de destacar. Nas imagens do Hubble, aparecem como minúsculos pontos luminosos que formam um padrão subtil. É esse padrão que assinala a posição da galáxia, apesar de ela ser quase invisível.

Ao medir o número e o brilho desses enxames globulares, os cientistas conseguem estimar a massa total da galáxia. E essa massa não bate certo com a quantidade ínfima de estrelas visíveis. A maior parte da matéria terá, por isso, de estar sob a forma de matéria escura.

Matéria escura: o peso invisível do cosmos

A ideia de base é bastante simples: quando os astrónomos observam o movimento das estrelas e das galáxias, concluem que a gravidade medida é muito mais intensa do que aquela que a matéria visível consegue explicar. Há algo extra a puxar por tudo - e esse “algo” recebe o nome de matéria escura.

Físicos de partículas e cosmólogos admitem que esta matéria escura possa ser feita de partículas ainda desconhecidas. Essas partículas não emitem luz nem absorvem radiação de forma significativa, mas influenciam o espaço à sua volta através da massa e do respetivo campo gravitacional.

• Cerca de 5 % do Universo é composto por matéria normal (estrelas, gás e planetas).
• Aproximadamente 25 % corresponde a matéria escura.
• O restante é energia escura, associada à expansão acelerada do cosmos.

Em muitas galáxias, a matéria escura já representa a maior parte da massa. No caso da galáxia ultra-difusa agora estudada, essa fração parece ser extrema: quase tudo o que contribui para a massa é invisível. As estrelas visíveis limitam-se a funcionar como uma camada ténue e pálida sobre um enorme reservatório de matéria que não se vê.

Galáxias ultra-difusas e matéria escura: gigantes pálidas

As galáxias ultra-difusas não são anãs no sentido do tamanho. Muitas têm um diâmetro comparável ao da Via Láctea, embora contenham apenas uma fração mínima do número de estrelas. Com tão poucos astros espalhados por uma área tão grande, estas galáxias surgem nas imagens profundas dos grandes telescópios como um ligeiro véu acinzentado.

Algumas apresentam sinais de halos de matéria escura muito extensos; outras, de forma surpreendente, parecem ter muito pouca matéria escura. Ambas as situações colocam uma pressão séria sobre os modelos mais usados para explicar a formação das galáxias.

Como podem nascer estas galáxias-fantasma?

Os astrofísicos discutem vários cenários para explicar como é que uma galáxia pode tornar-se tão grande, tão vazia e, ao mesmo tempo, tão ténue:

• Uma galáxia anã perturbada: uma galáxia anã inicialmente normal entra num aglomerado de galáxias denso. Aí, o plasma quente funciona como um vento que expulsa o gás da galáxia anã. Sem gás, quase não se formam estrelas novas.
• Forças de maré: galáxias vizinhas mais massivas exercem tração sobre o pequeno sistema, arrancam-lhe estrelas e gás e deixam para trás sobretudo matéria escura.
• Interrupção precoce da formação estelar: supernovas e radiação intensa aquecem o gás de tal forma que ele deixa de se condensar em novas estrelas. Fica então um grande halo de matéria escura com uma fina camada de estrelas antigas.

A galáxia analisada agora pelo Hubble ajusta-se especialmente bem aos cenários em que há influência externa. Está instalada num aglomerado de galáxias denso, rodeada por gás quente e por muitos perturbações gravitacionais. Para um sistema jovem e pequeno, trata-se de uma vizinhança bastante agreste.

Porque esta medição é tão delicada

Medir uma galáxia ultra-difusa é muito mais exigente do que analisar uma galáxia normal e luminosa. Para obter uma imagem convincente, os astrónomos tiveram de combinar vários instrumentos.

Foram usados, entre outros:

• Hubble: produz imagens extremamente nítidas, nas quais os enxames globulares se distinguem com clareza.
• Telescópio Subaru: observa grandes áreas do céu com elevada sensibilidade e ajuda a enquadrar o sistema no contexto do aglomerado de galáxias.
• Outros telescópios de grande porte: permitem medições espectroscópicas, através das quais se determinam as distâncias e os movimentos dos enxames globulares.

A partir das velocidades desses enxames, os investigadores conseguem inferir o campo gravitacional da galáxia. Quanto mais depressa os enxames globulares orbitam o centro, maior terá de ser a massa escondida nessa região. E essa massa excede largamente a massa das estrelas visíveis.

Os enxames globulares funcionam como partículas de teste dentro do campo gravitacional: as suas trajetórias revelam a distribuição da matéria escura.

Além disso, observações deste tipo beneficiam muito de campanhas em vários comprimentos de onda. Quando se junta informação óptica, espectroscópica e de grande campo, torna-se mais fácil separar o que pertence realmente à galáxia do que é apenas projeção de fundo. Isso é crucial em regiões tão congestionadas como os grandes aglomerados de galáxias.

O que isto significa para a nossa visão do cosmos

Estas observações são valiosíssimas para os cosmólogos. Servem para testar o modelo padrão do Universo, no qual a chamada matéria escura “fria” desempenha um papel central. Aqui, “fria” não descreve a temperatura comum do dia a dia, mas sim o facto de as partículas terem velocidades típicas baixas. Partículas mais lentas agregam-se com mais facilidade e funcionam como a base onde galáxias e aglomerados de galáxias acabam por se formar.

As simulações computacionais deste modelo não preveem apenas galáxias grandes, como a Via Láctea, mas também muitas galáxias companheiras pequenas. No entanto, nas observações reais, os astrónomos encontram menos sistemas anões do que o esperado. As galáxias ultra-difusas podem ajudar a explicar parte dessa discrepância: talvez algumas dessas anãs tenham evoluído para sistemas extensos e pouco luminosos, escapando assim à deteção durante muito tempo.

Ao mesmo tempo, a existência de galáxias ultra-difusas com pouca ou nenhuma matéria escura mostra que o cenário é mais complexo do que parecia. A gama observada vai, aparentemente, de “quase só matéria escura” a “quase nenhuma matéria escura” - e ambos os extremos coexistem no mesmo Universo. Cada nova galáxia medida acrescenta mais uma peça a este puzzle.

Termos que surgem muitas vezes neste tema

Quem acompanha notícias de astronomia encontra com frequência certos conceitos. Eis uma versão simples de alguns deles:

Termo	Explicação breve
Aglomerado de galáxias	Grupo de dezenas a milhares de galáxias ligadas gravitacionalmente entre si.
Enxame globular	Conjunto muito denso de estrelas antigas, com forma aproximadamente esférica, muitas vezes no halo de uma galáxia.
Bárions	Matéria normal composta por protões e neutrões, ou seja, a substância de que são feitos as estrelas, o gás e também nós.
Matéria escura	Forma invisível de matéria que se faz notar pela gravidade, mas não emite luz.

Porque estes achados valem mais do que belas imagens

Para muita gente, a astronomia parece distante do quotidiano. Aglomerados de galáxias, matéria escura, enxames globulares - tudo isto soa a debates muito especializados. Mesmo assim, existe aqui um ponto essencial: estes estudos verificam até que ponto o nosso entendimento físico fundamental é realmente sólido.

Se se confirmar que a matéria escura se comporta nestes sistemas extremos exatamente como o modelo atual prevê, a confiança nesse modelo aumenta. Se, pelo contrário, surgirem contradições em série, os físicos terão de ir à raiz do problema: novas partículas, novas forças ou, talvez, leis da gravidade ajustadas.

A galáxia-fantasma agora examinada pelo Hubble não prova de forma definitiva qualquer cenário, mas reduz o espaço para manobras. Modelos que não conseguem produzir este tipo de objeto, ou que o fazem com enorme dificuldade, passam a estar sob maior escrutínio. As simulações futuras terão de mostrar se galáxias com uma fração tão extrema de matéria escura podem surgir de forma natural ou se falta alguma peça ainda não identificada na receita cósmica.

Para a investigação, isto é um incentivo ideal: quanto mais destas galáxias exóticas forem descobertas e medidas com precisão, com maior nitidez se desenha a estrutura invisível que mantém o Universo unido.