Na luz de uma estrela monstruosa, um toque de escuridão | Revista Quanta

Em Outubro passado, quando o Telescópio Espacial James Webb transmitiu as suas primeiras longas exposições do céu perto da constelação de Eridanus, os astrónomos começaram a juntar as peças da história de um ponto de luz fraco e bruxuleante que parecia emergir dos recantos mais profundos do Universo.

Fosse o que fosse, brilhou durante demasiado tempo para ser uma supernova; uma única estrela também estava fora da mesa. “Parece que você provavelmente está em um desses filmes de CSI, que você é um detetive”, disse José Maria Diego, um astrofísico do Instituto de Física da Cantábria, na Espanha, que trabalhou para decifrar o sinal. “Você tem muitos suspeitos na mesa e precisa eliminá-los um por um.”

Diego e seus colegas relataram recentemente que a tênue mancha de luz parece vir de um sistema estelar extremo eles apelidaram de Mothra – um par de estrelas supergigantes que, no seu apogeu, há 10 mil milhões de anos, ofuscaram quase tudo o resto na sua galáxia.

Naquela época, todo o universo era mais jovem do que a Terra é agora; o nosso planeta só começou a coalescer depois de os fotões de Mothra terem atingido a metade da sua viagem cósmica para um mundo que desenvolveria um telescópio espacial gigante sensível ao infravermelho mesmo a tempo de captar a sua luz. Detectar a luz emitida por sistemas estelares individuais que há muito tempo era impossível. Mas Mothra, batizado em homenagem a um monstro kaiju inspirado nas mariposas da seda, é apenas o mais recente de uma série recente de sistemas estelares mais antigos, mais distantes e geralmente superlativos que astrônomos encontraram em imagens do JWST e do Telescópio Espacial Hubble. E, por outro lado, embora Mothra e seus irmãos bestiais sejam objetos astrofísicos intrigantes por si só, o que mais entusiasma Diego é que a luz das estrelas monstruosas parece revelar uma classe muito diferente de objeto flutuando entre ela e a Terra: um objeto que de outra forma seria invisível. torrão de matéria escura que ele e seus colegas calcularam pesa entre 10,000 e 2.5 milhões de vezes a massa do Sol.

Se tal objeto realmente existir – uma conclusão preliminar por enquanto – poderia ajudar os físicos a restringir as suas teorias sobre a matéria escura e talvez, apenas talvez, resolver o mistério da massa inexplicável do Universo.

A partir de 2023, os esforços laboratoriais para procurar partículas individuais de matéria escura deram em nada, deixando alguns astrofísicos com a suspeita sombriamente pragmática de que a única forma de os humanos poderem colocar calibradores na substância misteriosa seria estudar os seus efeitos gravitacionais no Universo mais vasto. Assim, a equipe de Diego e outros estão procurando contornos fantasmagóricos de objetos escuros no cosmos. Eles esperam identificar os menores aglomerados de matéria escura que existem — o que, por sua vez, depende da física básica da própria partícula de matéria escura. Mas pedaços de pura matéria escura não se apresentam apenas aos astrónomos; as equipes usam truques de observação para extrair essas sombras das sombras. Agora os astrônomos estão se concentrando em fenômenos cósmicos que vão desde lentes gravitacionais que distorcem o espaço - o tipo de lupa invisível dominada pela matéria escura que revelou Mothra - até fluxos de estrelas vibrantes, em forma de fita, muito mais perto de casa. Até agora, estes esforços descartaram muitas variantes de um conjunto popular de modelos denominado “matéria escura quente”.

“Você não pode tocar na matéria escura”, disse Anna Nierenberg, um astrofísico da Universidade da Califórnia, Merced, que está procurando por bolhas interestelares escuras com o JWST. Mas encontrar pequenas estruturas feitas disso? “Isso é o mais próximo que você chegaria.”

Halo, Halo, Halo

O pouco que sabemos sobre a matéria escura existe em contornos vagos e borrados. Décadas de evidências sugerem que ou as teorias da gravidade são incompletas ou, como os astrofísicos argumentam mais comumente, uma partícula de matéria escura assombra o universo. Numa observação clássica, as estrelas pareciam correr em torno da periferia das galáxias como se estivessem sujeitas a uma força gravitacional muito mais forte do que a matéria visível poderia sugerir. Ao medir os movimentos destas estrelas e aplicar outras técnicas que identificam regiões do espaço com peso extra, os astrónomos podem visualizar como a matéria escura do Universo está distribuída em escalas maiores.

“Se tivéssemos óculos de proteção contra a matéria escura”, disse Nierenberg, em torno de cada galáxia provavelmente veríamos “uma estrutura grande, difusa e estendida em forma de melancia, que é muito maior do que a própria galáxia”. Para a nossa Via Láctea, os astrónomos estimam que este casulo escuro e difuso - denominado halo - pesa cerca de um bilião de massas solares e é mais de 10 vezes mais largo que o disco espiral de estrelas da galáxia.

Amplie o zoom para escalas menores, porém, e a certeza científica se desfaz. O halo de matéria escura da Via Láctea é uma mancha suave? Ou está organizado em grupos, chamados subhalos? E se sim, quais são os tamanhos desses aglomerados?

As respostas poderão permitir aos cientistas identificar a verdadeira natureza da matéria escura. Modelos de como o Universo evoluiu a sua estrutura atual – uma teia cósmica, tecida por cordões perolados de galáxias – prevêem que as partículas de matéria escura, sejam elas quais forem, reuniram-se em pequenos aglomerados gravitacionalmente ligados durante as primeiras centenas de milhares de anos após o Big Bang. Muitos desses aglomerados se fundiram e eventualmente atraíram matéria visível. Eles cresceram e se transformaram em sementes de galáxias. Mas alguns dos menores halos escuros que não se fundiram ainda deveriam existir como “restos de formação de estrutura no universo primitivo”, disse Ethan Nadler, astrofísico dos Observatórios Carnegie e da Universidade do Sul da Califórnia. “Uma espécie de máquina do tempo.”

Encontrar e pesar estes aglomerados de relíquias ajudaria os físicos a reforçar o seu domínio sobre a física básica da matéria escura - incluindo a massa da partícula misteriosa e a sua “temperatura”, um termo um tanto enganador que descreve a velocidade a que nuvens de partículas individuais circulam.

Um dos principais suspeitos no mistério da matéria escura é a matéria escura fria, uma classe de modelos em que os culpados são partículas relativamente pesadas e lentas; um exemplo é uma partícula massiva de interação fraca, ou WIMP. Se estas teorias estiverem corretas, tais partículas teriam facilmente se acomodado em aglomerados autogravitantes no universo primitivo, alguns dos quais poderiam ter sido tão pequenos quanto a massa da Terra. Hoje, estes mini-halos remanescentes de matéria escura ainda devem estar à deriva dentro e em torno do halo colectivo maior de galáxias como a Via Láctea.

Mas se as partículas mais leves de matéria escura atravessassem o cosmos inicial mais rapidamente, como sugere uma classe concorrente de modelos de matéria escura “quente”, apenas aglomerados maiores com uma atração gravitacional mais forte poderiam ter-se formado. Estes modelos sugerem que existe um limite para as estruturas da matéria escura, uma massa mínima abaixo da qual não existem halos. Assim, sempre que alguém descobre um novo e menor halo escuro conhecido (como o suposto entre a Terra e Mothra), os teóricos são forçados a descartar cenários progressivamente mais frios.

Outra classe popular de modelos, chamada matéria escura difusa, assume apenas um sussurro de uma partícula de matéria escura – talvez 10²⁸ vezes mais leve que um elétron. Partículas hipotéticas chamadas áxions, por exemplo, poderiam estar nesta faixa de tamanho e também serem relativamente frias. Esses pesos penas se comportariam mais como ondas do que como partículas, ondulando pelas galáxias. Tal como a matéria escura quente, esta encarnação ondulatória não formaria aglomerados gravitacionalmente ligados em escalas de massa menores que as galáxias. Mas a matéria escura ultraleve teria outra pista. À medida que ondas de matéria escura difusa se chocam umas contra as outras dentro de um halo, elas podem formar padrões de interferência menores chamados grânulos – regiões de aparência granulada onde a densidade de matéria escura é maior – que transmitiriam sua própria assinatura gravitacional mensurável.

Excluir algumas dessas teorias requer encontrar – ou visivelmente não encontrar – halos de matéria escura com massa cada vez menor. A pesquisa começou por identificar os halos mais diminutos conhecidos por envolverem galáxias anãs, aglomerados de matéria escura que ainda pesam centenas de milhões de massas solares, e está agora a avançar rumo ao desconhecido. O problema, porém, é que estes hipotéticos pequenos halos escuros provavelmente não possuem o peso gravitacional necessário para atrair matéria regular e inflamar estrelas. Eles não podem ser vistos diretamente – são pouco mais que sombras pesadas. “A caça às evidências começou”, disse Matthew Walker, astrofísico da Carnegie Mellon University. “É simplesmente difícil de encontrar.”

Lições das lentes

As pesquisas mais avançadas de hoje por sub-halos pequenos e escuros pegam carona em um fenômeno quase milagroso: as lentes gravitacionais. Previstas por Einstein, as lentes gravitacionais são regiões de espaço-tempo distorcidas que circundam um objeto massivo. O campo gravitacional desse objeto – a lente – distorce e foca a luz de fundo da mesma forma que uma lupa pode ampliar a imagem de uma formiga ou concentrar a luz solar o suficiente para acender um fogo.

Cada alinhamento de lente envolve uma fonte de luz que brilha nas costas distantes do universo e a própria lente. Freqüentemente, essas lentes são galáxias massivas ou aglomerados de galáxias que distorcem o espaço-tempo e estão alinhadas, por acaso cósmico, entre aquela fonte distante e a Terra. As lentes produzem uma variedade de efeitos ópticos, desde arcos de luz a múltiplas cópias da mesma fonte de fundo até imagens altamente ampliadas de objetos que, de outra forma, estariam muito distantes para serem vistos.

Foi apenas pescando no cosmos com lentes que, em 2017, os astrônomos fotografaram Icarus, uma estrela que brilhou há cerca de 9 bilhões de anos. Mais recentemente, encontraram Earendel, com quase 13 mil milhões de anos, o actual detentor do recorde da estrela mais antiga, que lança tanta luz por si só como 1 milhão de sóis. Eles também avistaram Godzilla, uma estrela distante monstruosamente energética passando por uma explosão explosiva, e o monstro companheiro de Godzilla, Mothra, que parece ser um tipo semelhante de objeto variável. (“E sim, estamos nos divertindo com isso”, disse Diego sobre o processo de nomeação de sua equipe.)

Mas as lentes gravitacionais não são apenas portais para o outro lado do universo. Os caçadores de matéria escura há muito consideram as lentes pelo menos tão interessantes quanto aquilo que ampliam. As maneiras precisas pelas quais a lente deforma e distorce a imagem de fundo correspondem à forma como a massa é distribuída dentro e ao redor da galáxia ou aglomerado da lente. Se a matéria escura existe em pequenos aglomerados sem estrelas dentro do padrão conhecido de halos do tamanho de uma galáxia - bem, então, os astrônomos também deveriam ser capazes de ver a luz se curvando em torno desses aglomerados.

Os menores halos escuros detectados através deste método já rivalizam com os menores halos medidos em torno de galáxias anãs. Em 2020, uma equipe que incluía Nierenberg usou o Telescópio Espacial Hubble e o Observatório Keck no Havaí para observar imagens ampliadas de quasares - faróis de luz brilhantes emitidos pela matéria que cai em buracos negros - e encontraram evidências de halos escuros tão pequenos quanto centenas de milhões de massas solares. Esse é o mesmo tamanho aproximado de halo associado às galáxias menores, um nível de concordância estatística que Nadler, em um estudo publicado no ano seguinte, usado para descartar modelos de matéria escura quente compostos de partículas mais leves que cerca de 1/50 de um elétron, nos quais tais aglomerados diminutos nunca poderiam se formar.

Enquanto isso, este ano, duas equipes usaram quasares com lentes para procurar grãos de partículas difusas e leves de matéria escura – grãos que se formariam por meio de um processo semelhante ao que faz aparecer ondulações na superfície de uma piscina, de acordo com o primeiro autor. de um desses estudos, Devon Powell do Instituto Max Planck de Astrofísica. “Você obtém essa distribuição muito caótica e irregular do assunto”, disse ele. “É apenas interferência de ondas.”

A análise de sua equipe, publicada em junho em Avisos mensais da Royal Astronomical Society, não encontrou evidências efeitos ondulatórios de matéria escura em imagens de alta resolução de arcos de luz de uma lente gravitacional, sugerindo que a partícula escura deve ser mais pesada do que os menores candidatos difusos. Mas um estudo de abril em Astronomia da Natureza, liderado por Alfred Amruth da Universidade de Hong Kong, analisaram quatro cópias com lentes de um quasar de fundo e chegaram à conclusão oposta: uma lente feita de matéria escura difusa, argumentaram eles, melhor explicado pequenas flutuações em seus dados. (Descobertas contraditórias não seriam totalmente surpreendentes, dado que os sinais esperados são sutis e a abordagem experimental é nova, dizem especialistas de fora de ambas as equipes. Quanta.)

Enquanto isso, Nierenberg e seus colegas passaram o último ano usando o JWST para observar lentes gravitacionais que ampliam quasares, com o objetivo provisório de publicar sua primeira análise em setembro. Em teoria, eles calculam que a capacidade do JWST de descobrir estruturas em pequena escala em lentes deveria revelar se halos escuros existem como aglomerados totalmente invisíveis e sem estrelas, com uma faixa de tamanho de dezenas de milhões de massas solares. Se assim for, esses halos imporiam a restrição mais forte até agora sobre o quão “quente” a matéria escura pode ser.

Este método ainda mais novo de observar estrelas extremas e distantes como Mothra através de lentes gravitacionais poderá em breve deixar de identificar curiosidades únicas e tornar-se uma característica regular da astronomia na era JWST. Se Diego e os seus colegas estiverem corretos, e puderem ver Mothra porque está a ser objeto de lente por um aglomerado de matéria escura que pesa menos de alguns milhões de massas solares, essa observação por si só excluiria uma vasta gama de modelos de matéria escura quente. Mas ainda suportaria matéria escura fria e difusa, embora no último caso - onde a ampliação extra de Mothra vem de um grânulo denso de matéria escura em vez de um aglomerado gravitacionalmente ligado - ainda forçaria a matéria escura difusa a uma faixa estreita. de massas possíveis.

Os astrónomos estão a desenterrar muito mais estrelas com lentes com o Hubble e o JWST, disse Diego, mantendo-se atentos a outras distorções ópticas anómalas que podem vir da luz das estrelas curvando-se em torno de pequenos objetos escuros. “Estamos apenas começando a arranhar a superfície”, disse ele. “Não tiro muitas férias atualmente.”

Ilhas Negras em um Fluxo de Estrelas

Outras pesquisas por pequenos halos de matéria escura concentram-se em estrelas muito mais próximas — aquelas em serpentinas perto da Via Láctea e estrelas binárias em galáxias anãs próximas. Em 2018, Ana Bonaca, agora astrofísico nos Observatórios Carnegie, correu para baixar dados da espaçonave Gaia da Agência Espacial Europeia, que mede os movimentos de quase 2 bilhões de estrelas na Via Láctea. Bonaca analisou essas observações iniciais e isolou as informações de estrelas pertencentes a uma estrutura chamada GD-1. O que ela viu foi “imediatamente super emocionante”, disse ela. “Corremos para escrever um artigo na próxima semana ou depois.”

GD-1 é um fluxo estelar, um cordão solto de estrelas da Via Láctea que - se você pudesse identificá-lo a olho nu - se estenderia por mais da metade do céu noturno. Estas estrelas foram ejetadas de um aglomerado estelar globular há muito tempo; eles agora orbitam a Via Láctea em ambos os lados desse aglomerado, balançando atrás e à frente de seu caminho como bóias marcando um canal interestelar.

Em sua análise do GD-1, a equipe de Bonaca encontrou a impressão digital teórica de um pedaço entrelaçado de matéria escura. Especificamente, parte do GD-1 parecia dividida em duas, como se um enorme objeto invisível tivesse atravessado a trilha, arrastando estrelas em seu rastro. Esse objeto passageiro, calcularam eles, pode ter sido um sub-halo de matéria escura pesando alguns milhões de massas solares – tornando-o, também, um candidato ao menor suposto aglomerado de matéria escura e uma ameaça potencial para as variantes mais tostadas de matéria escura quente. .

Mas como converter uma única descoberta em algo mais estatístico? Até agora, disse Bonaca, os astrônomos já registraram cerca de 100 correntes estelares. Embora apenas alguns tenham sido estudados em detalhe, cada um que foi examinado tem suas próprias dobras e curvas incomuns que podem advir de encontros gravitacionais com objetos escuros igualmente pequenos. Mas as observações ainda não são conclusivas.

“Acho que o melhor caminho a seguir é analisar fluxos simultaneamente”, disse ela, “para entender quanto [dessas características incomuns] vem da matéria escura”.

Em escalas ainda menores, Walker, da Carnegie Mellon, passou o último ano examinando observações de galáxias anãs do JWST em busca dos sistemas estelares mais frágeis que conseguiu encontrar: estrelas binárias que estão muito distantes umas das outras e mantidas juntas num abraço gravitacional frouxo. Se pequenos halos escuros - os tipos de objetos que os modelos de matéria escura fria dizem que deveriam ser abundantes - passam continuamente e exercem atração gravitacional sobre o seu entorno, esses binários muito amplos não deveriam existir. Mas se binários amplos aparecerem, isso sugere que pequenos halos escuros não estão presentes – desferindo um golpe mortal contra os muitos modelos de matéria escura fria que os prevêem.

“É o que chamo de anti-busca de halos subgalácticos de matéria escura”, disse Walker.

Movendo-se nas paredes

A busca por sombras cósmicas ainda é uma pequena parte de um esforço maior para localizar algo que até agora ficou fora de alcance. Experimentos baseados na Terra projetados para capturar partículas que se encaixariam nos paradigmas da matéria escura difusa, quente e fria são acionados; as equipes ainda estão procurando outras características da física da matéria escura, desde produtos secundários produzidos se e quando as partículas interagem com a matéria normal, até a questão sutil de como a densidade da matéria escura aumenta e diminui dentro de halos escuros, o que depende de como as partículas escuras interagem. um com o outro.

Tracy Slatyer, um físico teórico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, visualiza o mistério da matéria escura como uma vasta caixa cheia de inúmeras possibilidades, mas contendo apenas uma resposta certa. Nesta analogia, a sua estratégia é ir fundo nessa caixa com ideias específicas e refutáveis ​​sobre as propriedades das partículas de matéria escura. Os lados da caixa, no entanto, representam os únicos factos verdadeiros que os astrónomos podem fornecer, tais como limites superiores sobre o quão quente a matéria escura pode ser, e limites inferiores sobre o quão difusa - ou leve - ela pode ser.

Se os astrônomos pudessem detectar com segurança objetos cósmicos totalmente escuros na faixa de um milhão de massas solares, isso seria um “tour de force observacional”, disse Slatyer. “Seria incrível.” As paredes de sua caixa se moveriam para dentro, diminuindo o espaço disponível para possibilidades.

A tecnologia futura poderá em breve transformar estas diversas buscas, desde punhaladas iniciais no escuro em incursões mais profundas nas estruturas sombrias que sustentam o universo. O JWST aprofundará seu estudo sobre lentes gravitacionais nos próximos anos; O grupo de Nierenberg, por exemplo, começou com oito desses sistemas, mas planeia eventualmente analisar 31 deles. Quando for lançado em 2027, o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman, um observatório de nível Hubble com um campo de visão muito mais amplo, deverá tornar muito mais fácil percorrer galáxias anãs como Walker está fazendo. O Observatório Vera C. Rubin, batizado em homenagem ao astrônomo pioneiro cujas observações forçaram os pesquisadores a levar a sério o mistério da matéria escura, revelará mais detalhes dos fluxos estelares assim que começar a observar no Chile em 2024. Juntos, os dois observatórios deve revelar milhares de novas lentes gravitacionais que podem ser vasculhadas em busca de subestruturas escuras.

Até agora, nenhuma das observações derrubou os populares modelos de matéria escura fria, que prevêem que o Universo está repleto de aglomerados cada vez mais pequenos dessa matéria. À medida que os astrónomos continuam o árduo trabalho de procurar esses aglomerados, muitos teóricos e experimentalistas esperam que uma experiência de física de partículas na Terra chegue ao cerne do mistério muito mais rapidamente. Mas descobrir esses bolsões isolados de escuridão – e qualquer física complexa que os acompanha – é como “conseguir um laboratório mais limpo”, disse Slatyer. “Estamos em um momento emocionante.”