Representação esquemática de galáxias com discos em rotação no Universo primordial (à direita) e atual (à esquerda). Novas observações indicam que galáxias massivas que estavam formando estrelas durante o pico da formação galáctica, há 10 bilhões de anos atrás, eram dominadas por matéria “bariônica”, ou seja, matéria normal. Este fato está em perfeito contraste com as galáxias atuais, onde os efeitos da misteriosa matéria escura parecem ser muito maiores. Este resultado surpreendente foi obtido com o auxílio do Very Large Telescope do ESO e sugere que a matéria escura tinha menos influência no Universo primordial do que tem atualmente. Este trabalho foi apresentado em 4 artigos científicos, um dos quais é publicado na revista Nature.
A matéria normal apresenta-se sob a forma de estrelas brilhantes, gás resplandescente e nuvens de poeira. No entanto, a matéria escura mais elusiva não emite, absorve ou reflete luz e por isso apenas pode ser observada através dos seus efeitos gravitacionais. A presença de matéria escura explica por que é que as regiões mais externas das galáxias espirais próximas giram mais rapidamente do que o que seria de esperar se apenas estivesse presente a matéria normal que observamos de forma direta.
Uma equipe internacional de astrônomos, liderada por Reinhard Genzel do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre em Garching, na Alemanha, utilizou os instrumentos KMOS e SINFONI montados no Very Large Telescope do ESO, no Chile, para medir a rotação de seis galáxias massivas que estão formando estrelas no Universo distante, na época do pico da formação galáctica, há 10 bilhões de anos atrás.
O que a equipe descobriu é intrigante: ao contrário das galáxias espirais encontradas no Universo atual, as regiões externas destas galáxias distantes parecem girar mais lentamente que as regiões mais próximas do núcleo — sugerindo que existe menos matéria escura presente do que o esperado.
“Surpreendentemente, as velocidades de rotação não são constantes, mas diminuem com a distância ao centro das galáxias,” comenta Reinhard Genzel, autor principal do artigo científico publicado na Nature. “Existem muito provavelmente duas causas para isso. A primeira é que estas galáxias massivas primordiais são fortemente dominadas por matéria normal, com a matéria escura desempenhando um papel muito menos preponderante do que no Universo local. A segunda é que estes discos primordiais são muito mais turbulentos do que as galáxias espirais que observamos na nossa vizinhança cósmica.”
Ambos estes efeitos parecem se tornar mais marcantes à medida que os astrônomos observam cada vez mais longe no passado, em direção ao Universo primordial. Isso sugere que três a quatro bilhões de anos após o Big Bang, o gás nas galáxias já se encontrava eficientemente condensado em discos planos em rotação, enquanto os halos de matéria escura que os rodeavam eram muito maiores e mais dispersos. Aparentemente foram precisos bilhões de anos para que a matéria escura também se condensasse, razão pela qual o seu efeito dominante é observado apenas atualmente.
Esta explicação é consistente com as observações, que mostram que as galáxias primordiais eram muito mais ricas em gás e muito mais compactas do que as galáxias atuais.
As seis galáxias mapeadas neste estudo fazem parte de uma amostra muito maior composta por uma centena de discos longínquos que estão formando estrelas, observados pelos instrumentos KMOS e SINFONI, montados no Very Large Telescope do ESO no Observatório do Paranal , no Chile. Além das medições das galáxias individuais descritas acima, foi também criada uma curva de rotação média combinando os sinais mais fracos das outras galáxias. Esta curva composta mostra igualmente a mesma tendência de diminuição da velocidade quando nos afastamos dos centros das galáxias. Adicionalmente, dois outros estudos de 240 discos formando estrelas apoiam igualmente estes resultados.
Modelos detalhados mostram que, enquanto a matéria normal representa em média cerca de metade da massa total de todas as galáxias, para desvios para o vermelho elevados esta matéria domina completamente a dinâmica das galáxias.
Notas
O disco de uma galáxia espiral gira com um período de centenas de milhões de anos. Os núcleos destas galáxias têm enormes concentrações de estrelas, mas a densidade de matéria luminosa diminui em direção à sua periferia. Se a massa da galáxia consistisse inteiramente de matéria normal, então as regiões externas menos densas deveriam girar mais lentamente do que as regiões centrais mais densas. No entanto, observações de galáxias espirais próximas mostram que as suas regiões internas e externas rodam aproximadamente à mesma velocidade. Estas “curvas de rotação planas” indicam que estes objetos devem conter enormes quantidades de matéria não luminosa situada num halo que rodeia o disco galáctico.
Os dados analisados foram obtidos pelos espectrógrafos de campo integral KMOS e SINFONI, montados no Very Large Telescope do ESO, no Chile, no âmbito dos rastreios KMOS3D e SINS/zC-SINF. Trata-se da primeira vez em que é efetuado um estudo bastante exaustivo da dinâmica de um grande número de galáxias com desvios para o vermelho situados no intervalo compreendido entre z~0,6 e z~2,6, o que corresponde a 5 bilhões de anos de tempo cósmico.
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