As estrelas externas mais lentas da Via Láctea indicam que a matéria escura é exagerada

Instituto de Tecnologia de MassachusettsEstudo externo mostra via Láctea As estrelas giram mais lentamente, indicando um núcleo mais leve contendo menos matéria escura, o que contradiz suposições anteriores.

Ao registrar a velocidade das estrelas em toda a Via Láctea, os físicos do MIT descobriram que as estrelas no disco galáctico se movem mais lentamente do que o esperado em comparação com estrelas mais próximas do centro galáctico. Os resultados levantam uma possibilidade surpreendente: o núcleo gravitacional da Via Láctea pode ser mais leve e conter menos matéria escura do que se pensava anteriormente.

As novas descobertas baseiam-se na análise da equipa de dados capturados pelos instrumentos Gaia e APOGEE. Gaia é um telescópio espacial em órbita que rastreia a posição, distância e movimento precisos de mais de mil milhões de estrelas em toda a Via Láctea, enquanto o APOGEE é um rastreio terrestre. Os físicos analisaram as medições de Gaia de mais de 33.000 estrelas, incluindo algumas das estrelas mais distantes da galáxia, e determinaram a “velocidade circular” de cada estrela, ou quão rápido a estrela está girando no disco galáctico, dada a distância da estrela ao centro da galáxia. a galáxia. .

Compreendendo a rotação galáctica

Os cientistas traçaram um gráfico da velocidade de cada estrela em relação à sua distância para gerar uma curva de rotação, um gráfico padrão em astronomia que representa a rapidez com que a matéria gira a uma determinada distância do centro da galáxia. O formato dessa curva pode dar aos cientistas uma ideia de quanta matéria visível e escura está distribuída pela galáxia.

“O que ficamos realmente surpresos ao ver foi que esta curva permaneceu plana, plana, plana durante uma certa distância, e depois começou a diminuir”, diz Lina Naguib, professora assistente de física no MIT. “Isto significa que as estrelas exteriores estão a rodar um pouco mais devagar do que o esperado, o que é um resultado muito surpreendente.”

Um estudo realizado por físicos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts sugere que o núcleo gravitacional da Via Láctea pode ter massa mais leve e conter menos matéria escura do que se pensava anteriormente. Fonte da imagem: ESA/Gaia/DPAC, editado por MIT News

Teorias desafiadoras da matéria escura

A equipe traduziu a nova curva de rotação numa distribuição de matéria escura que poderia explicar a desaceleração das exoestrelas, e descobriu que o mapa resultante produziu um núcleo de galáxia mais leve do que o esperado. Ou seja, o centro da Via Láctea pode ser menos denso e conter menos matéria escura do que os cientistas pensam.

“Isso coloca este resultado em tensão com outras medições”, diz Najeeb. “Há algo suspeito acontecendo em algum lugar, e é realmente interessante descobrir onde isso está, para obter uma imagem coerente da Via Láctea.”

A equipe anuncia seus resultados este mês em Avisos mensais do Journal of the Royal Society. Os coautores do estudo do MIT, incluindo Nassib, são o primeiro autor Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers e Anna Friebel.

“no nada”

Como a maioria das galáxias do Universo, a Via Láctea gira como água num vórtice, sendo a sua rotação impulsionada em parte por toda a matéria que gira dentro do seu disco. Na década de 1970, a astrônoma Vera Rubin foi a primeira a notar que as galáxias giram de maneiras que não podem ser impulsionadas pela matéria puramente visível. Ela e os seus colegas mediram a velocidade de rotação das estrelas e descobriram que as curvas de rotação resultantes eram surpreendentemente planas. Isto significa que a velocidade das estrelas permaneceu a mesma em toda a galáxia, em vez de diminuir com a distância. Eles concluíram que outro tipo de matéria invisível deve estar afetando estrelas distantes para lhes dar um impulso extra.

O trabalho de Rubin sobre curvas de rotação foi uma das primeiras evidências fortes da existência de matéria escura, uma entidade invisível e desconhecida que se estima ter mais peso que todas as estrelas e outras matérias visíveis no universo.

Desde então, os astrónomos observaram curvas planas semelhantes em galáxias distantes, apoiando a existência de matéria escura. Só recentemente os astrónomos tentaram traçar a curva de rotação da nossa galáxia com estrelas.

“Acontece que é difícil medir a curva de rotação quando você está dentro de uma galáxia”, diz Au.

Novos insights dos dados de Gaia

Em 2019, Anna Christina Ehlers, professora assistente de física no MIT, traçou a curva de rotação da Via Láctea, utilizando um conjunto anterior de dados do satélite Gaia. Esta divulgação de dados incluiu estrelas a até 25 quiloparsecs, ou cerca de 81.000 anos-luz, do centro galáctico.

Com base nestes dados, Ehlers observou que a curva de rotação da Via Láctea parece plana, embora com uma ligeira queda, semelhante a outras galáxias distantes, e por inferência, a galáxia provavelmente carrega uma alta densidade de matéria escura no seu núcleo. Mas essa opinião mudou agora, quando o telescópio divulgou um novo conjunto de dados, desta vez incluindo estrelas tão distantes como 30 quiloparsecs, a cerca de 100.000 anos-luz do núcleo galáctico.

“A estas distâncias, estamos no limite da galáxia, onde as estrelas começam a desaparecer”, diz Fripple. “Ninguém explorou como a matéria se move nesta galáxia exterior, onde estamos literalmente no nada.”

Tensão estranha

Frebel, Naguib, Au e Ehlers mergulharam nos novos dados de Gaia, procurando expandir a curva de rotação inicial de Ehlers. Para melhorar a sua análise, a equipa complementou os dados do Gaia com medições do APOGEE – Galaxy Evolution Experiment do Observatório Apache Point, que mede propriedades altamente detalhadas de mais de 700.000 estrelas na Via Láctea, tais como o seu brilho, temperatura e composição elementar.

“Inserimos todas essas informações em um algoritmo para tentar aprender conexões que possam nos fornecer melhores estimativas da distância até a estrela”, explica Au. “É assim que podemos ir mais longe.”

A equipa determinou as distâncias precisas de mais de 33.000 estrelas e utilizou estas medições para criar um mapa 3D de estrelas espalhadas pela Via Láctea até cerca de 30 quiloparsecs. Eles então combinaram esse mapa em um modelo de velocidade circular, simulando a velocidade com que qualquer estrela deveria se mover, levando em consideração a distribuição de todas as outras estrelas na galáxia. Eles então traçaram a velocidade e distância de cada estrela em um gráfico para produzir uma curva de rotação atualizada para a Via Láctea.

“Aí veio a estranheza”, diz Naguib.

Em vez de ver uma ligeira queda como nas curvas de rotação anteriores, a equipe notou que a nova curva caiu mais fortemente do que o esperado na extremidade externa. Esta queda inesperada indica que, embora as estrelas possam viajar à mesma velocidade até uma certa distância, elas desaceleram repentinamente em distâncias maiores. As estrelas nos subúrbios parecem mover-se mais lentamente do que o esperado.

Explore os segredos da galáxia

Quando a equipa traduziu esta curva de rotação na quantidade de matéria escura que deveria estar presente em toda a galáxia, descobriu que o núcleo da Via Láctea pode conter menos matéria escura do que o estimado anteriormente.

“Este resultado é inconsistente com outras medições”, diz Najeeb. “A compreensão real deste resultado terá ramificações profundas. Isto poderá levar a mais massas escondidas para além da borda do disco galáctico, ou a uma revisão do estado de equilíbrio da nossa galáxia. Procuramos encontrar estas respostas em trabalhos futuros, utilizando imagens de alta resolução simulações de galáxias semelhantes à Via Láctea.

Referência: “Imagem da matéria escura da Via Láctea inferida a partir de sua curva de velocidade circular” por Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers, Lena Naguib e Anna Friebel, 08 de janeiro de 2024, Avisos mensais da Royal Astronomical Society.
doi: 10.1093/mnras/stae034

Esta pesquisa foi financiada em parte pela National Science Foundation.