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Como "pesamos" uma galáxia? Especialmente a Via Láctea?


A maior vizinha da nossa Via Láctea, a Galáxia de Andrômeda, mede cerca de 220.000 anos-luz em diâmetro. Duas as suas galáxias satélite, M110 (em baixo à esquerda) e M32 (acima do bojo central de Andrômeda) são visíveis como duas manchas brilhantes e esbranquiçadas nesta imagem obtida pelo astrofotógrafo Adam Block.
Crédito: Adam Block

De acordo com uma equipe de investigação liderada por Ekta Patel, da Universidade do Arizona, uma nova técnica para estimar a massa de galáxias promete resultados mais confiáveis, especialmente quando aplicada a grandes conjuntos de dados gerados por levantamentos atuais e futuros. Publicado na revista científica The Astrophysical Journal, o estudo é o primeiro a combinar os movimentos tridimensionais observados de várias galáxias satélites da Via Láctea com extensas simulações computacionais para obter uma estimativa de alta precisão da massa da nossa Galáxia.

A determinação da massa das galáxias desempenha um papel crucial em desvendar mistérios fundamentais sobre a arquitetura do Universo. Segundo os modelos cosmológicos atuais, a matéria visível de uma galáxia, como estrelas, gás e poeira, representa apenas 15% da sua massa. Pensa-se que os restantes 85% sejam matéria escura, um componente misterioso que nunca foi observado e cujas propriedades físicas permanecem largamente desconhecidas. A grande maioria da massa de uma galáxia (principalmente matéria escura) está localizada no seu halo, uma vasta região circundante que contém poucas, se algumas, estrelas e cuja forma é amplamente desconhecida.

Num modelo cosmológico amplamente aceite, os filamentos de matéria escura abrangem todo o Universo, atraindo matéria luminosa ("normal") com eles. Onde se cruzam, o gás e a poeira acumulam-se e coalescem em galáxias. Ao longo de milhares de milhões de anos, galáxias pequenas fundem-se para formar outras maiores, e à medida que crescem em tamanho a sua força gravitacional chega cada vez mais longe no espaço, atraem outras inúmeras galáxias pequenas, galáxias estas que se tornam satélites. As suas órbitas são determinadas pelas galáxias hospedeiras, assim como a atração gravitacional do Sol direciona o movimento dos planetas e corpos no Sistema Solar.

"Sabemos que o Universo está a expandir-se," diz Patel, estudante do 4.º ano do Departamento de Astronomia da Universidade do Arizona e do Observatório Steward. "Mas quando duas galáxias chegam perto o suficiente uma da outra, a sua atração mútua é maior do que a influência do Universo em expansão e começam a orbitar-se uma à outra em torno de um centro comum, como a nossa Via Láctea e a nossa vizinha mais próxima, a Galáxia de Andrômeda."

Embora Andrômeda esteja a aproximar-se da Via Láctea a 110 km/s, as duas só se vão fundir daqui a mais ou menos 4,5 bilhões de anos. De acordo com Patel, o rastreamento do movimento de Andrômeda é "equivalente a ver o crescimento de um cabelo humano à distância da Lua."

Dado que é impossível "pesar" uma galáxia simplesmente olhando para ela - muito menos quando o observador está lá dentro, como é o caso da nossa Via Láctea - os investigadores deduzem a massa de uma galáxia estudando os movimentos de objetos celestes enquanto dançam em redor da galáxia hospedeira, liderados pela sua atração gravitacional. Tais objetos podem ser galáxias satélite ou correntes estelares criadas a partir da dispersão de galáxias antigas que chegaram demasiado perto da maior para permanecerem intactas.

Ao contrário de métodos anteriores normalmente usados para estimar a massa de uma galáxia, como a medição das velocidades e posições destes objetos, a abordagem desenvolvida por Patel e coautores usa o seu momento angular, que produz resultados mais confiáveis porque não muda com o tempo. O momento angular de um corpo no espaço depende tanto da sua distância como da velocidade. Dado que as galáxias satélites tendem a mover-se em redor da Via Láctea em órbitas elípticas, as suas velocidades aumentam à medida que se aproximam e diminuem à medida que se afastam. Como o momento angular é o produto tanto da posição como da velocidade, não há nenhuma mudança independentemente dos satélites estarem nas suas posições mais próximas ou mais distantes da suas órbitas.

"Pense numa patinadora a fazer uma pirueta," explica Patel. "À medida que aproxima os braços do corpo, gira mais depressa. Por outras palavras, a sua velocidade muda, mas o seu momento angular permanece o mesmo durante todo o movimento."

O estudo, apresentado por Patel na passada quinta-feira, dia 7 de junho, na 232.ª reunião da Sociedade Astronômica Americana em Denver, é o primeiro a examinar os movimentos tridimensionais de nove das 50 galáxias satélite conhecidas da Via Láctea e a comparar o seu momento angular a um Universo simulado com um total de 20.000 galáxias hospedeiras que se assemelham à nossa Galáxia. Juntas, essas galáxias simuladas hospedam cerca de 90.000 galáxias satélites.

A equipe de Patel chegou a uma massa para a Via Láctea de 0,96 trilhões de massas solares. As estimativas anteriores colocavam a massa da Via Láctea entre 700 bilhões e 2 trilhões de massas solares. Os resultados também reforçam estimativas que sugerem que a Galáxia de Andrômeda (M31) é mais massiva do que a nossa Via Láctea.

Os autores esperam aplicar o seu método aos dados sempre crescentes à medida que ficam disponíveis graças a levantamentos galácticos atuais e futuros, como por exemplo o do observatório espacial Gaia e do LSST (Large Synoptic Survey Telescope). Segundo a coautora Gurtina Besla, professora assistente de astronomia na Universidade do Arizona, as restrições à massa da Via Láctea vão melhorar à medida que são obtidas novas observações que registam a velocidade de mais galáxias satélites e à medida que simulações da próxima geração fornecem resoluções mais altas, permitindo com que os cientistas obtenham estatísticas mais fiáveis para os satélites mais pequenos, as chamadas galáxias ultra-fracas.

"O nosso método permite-nos aproveitar as medições da velocidade de múltiplas galáxias satélites simultaneamente a fim de obter uma resposta para o que a teoria da matéria escura preveria de maneira robusta para a massa do halo da Via Láctea," acrescenta Besla. "É perfeitamente adequado para aproveitar o rápido crescimento atual dos conjuntos de dados observacionais atuais e dos recursos numéricos."


Ilustração do que acontece à medida que uma galáxia satélite se funde com a galáxia principal. Estas correntes estelares que arqueiam bem acima da Via Láctea são remanescentes de galáxias e enxames estelares, despedaçadas e dilaceradas pelos stresses gravitacionais da nossa Galáxia ao longo de milhares de milhões de anos. Prolongando-se por grande parte do céu a norte, as correntes estão situadas a 13.000-130.000 anos-luz da Terra.
Crédito: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt/SSC/Caltech


O Grupo Local de galáxias inclui a Galáxia de Andrômeda, a cerca de 2,5 milhões de anos-luz da Terra, e um pequeno número de galáxias satélite\s que rodeiam a Via Láctea, algumas das quais foram usadas na investigação aqui descrita. Apenas uma fração das galáxias satélites conhecidas, tanto em torno da Via Láctea como em torno de Andrômeda, são aqui mostradas.
Crédito: Wikimedia Commons



FONTE: ASTRONOMIA ONLINE

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