Astrónomos detectam matéria escura de um milhão de massas solares na lente gravitacional JVAS B1938+666 a 7,3 bilhões de anos

Em um impressionante feito de investigação gravitacional, astrônomos identificaram um misterioso aglomerado denso de matéria invisível embutido em uma galáxia cuja luz levou 7,3 bilhões de anos para chegar até nós.

O que exatamente esse aglomerado pode ser ainda permanece em aberto, mas ele é extremamente pequeno para a distância em que foi detectado - com cerca de um milhão de vezes a massa do Sol. Trata-se do menor objeto já encontrado com base em seus efeitos gravitacionais em grandes distâncias cósmicas, superando o recorde anterior por um fator de cerca de 100.

"Este é o objeto de menor massa conhecido por nós, por duas ordens de magnitude, a ser detectado a uma distância cosmológica por meio de seu efeito gravitacional", explica uma equipe liderada pelo astrofísico Devon Powell, do Instituto Max Planck de Astrofísica, na Alemanha.

"Este trabalho demonstra a viabilidade observacional de usar imagens gravitacionais para investigar o regime de um milhão de massas solares muito além do nosso Universo local."

Com base em nossas observações do Universo, existe algo por aí que não emite luz e interage com o restante do cosmos apenas por meio da gravidade.

Chamamos isso de matéria escura, e há várias explicações candidatas para o que ela pode ser. A forma como essa matéria se distribui - se de maneira suave ou em aglomerados - pode ajudar os cientistas a restringir as possibilidades. No entanto, como a matéria escura não emite luz, mapear sua distribuição é uma tarefa difícil.

É aí que entra a gravidade. Tudo no Universo que possui massa faz o espaço-tempo se curvar ao seu redor - e, quanto maior a massa, maior a curvatura do espaço-tempo. Imagine colocar, por exemplo, uma bola de boliche sobre uma cama elástica. Se você rolar uma bolinha sobre a lona esticada, ela seguirá uma trajetória curvada ao redor da bola de boliche.

Agora imagine que a bola de boliche é uma galáxia e a bolinha é um fóton. Um conjunto de fótons vindo de uma galáxia distante, ao atravessar o espaço-tempo deformado pela gravidade de uma galáxia mais próxima (a bola de boliche), chegará até nós esticado, distorcido e ampliado. É isso que chamamos de lente gravitacional.

Essas lentes são ferramentas brilhantes para estudar o Universo distante, já que ampliam o espaço profundo de uma forma que a tecnologia sozinha não consegue. Mas os astrônomos também podem usar essa luz distante, esticada e distorcida, para mapear a distribuição de matéria na lente em primeiro plano.

Foi exatamente isso que Powell e seus colegas decidiram fazer, usando uma ampla rede de telescópios, incluindo o Green Bank Telescope, o Very Long Baseline Array e a Rede Europeia de Interferometria de Base Muito Longa, para estudar em detalhe um conhecido sistema de lente gravitacional chamado JVAS B1938+666.

Esse sistema é formado por uma galáxia em primeiro plano, com tempo de viagem da luz de cerca de 7,3 bilhões de anos, e por uma galáxia mais distante, a aproximadamente 10,5 bilhões de anos-luz em tempo de viagem da luz, cuja luminosidade foi esticada e quadruplicada pela galáxia mais próxima.

Uma das imagens da galáxia amplificada aparece como um arco luminoso, brilhante e borrado; nesse arco, os pesquisadores encontraram uma espécie de estreitamento com aparência de covinha. Segundo eles determinaram, essa deformação não poderia ter sido causada apenas pela galáxia-lente. Em vez disso, a responsável teria de ser uma concentração de massa, conclusão alcançada com um impressionante nível de confiança de 26 sigma.

"Desde a primeira imagem em alta resolução, observamos imediatamente um estreitamento no arco gravitacional, o sinal revelador de que estávamos diante de algo", afirma o astrônomo John McKean, da Universidade de Groningen, na Holanda.

"Apenas outro pequeno aglomerado de massa entre nós e a distante rádio-galáxia poderia causar isso."

Essa massa não emite luz - nem nos comprimentos de onda ópticos, nem em rádio, nem no infravermelho. Ela é totalmente escura ou simplesmente fraca demais para ser observada. Isso significa que há mais de uma possibilidade para sua natureza. As principais candidatas são um aglomerado de matéria escura ou uma galáxia anã que emite luz insuficiente para ser detectada.

No momento, ambas as hipóteses são plausíveis, e serão necessários mais estudos para determinar a identidade dessa responsável.

"Dada a sensibilidade dos nossos dados, esperávamos encontrar pelo menos um objeto escuro, portanto nossa descoberta é compatível com a chamada 'teoria da matéria escura fria', sobre a qual se baseia grande parte do nosso entendimento de como as galáxias se formam", diz Powell.

"Tendo encontrado um, a questão agora é saber se conseguiremos encontrar mais e se o número deles continuará de acordo com os modelos."

Os resultados foram descritos em artigos complementares publicados na Nature Astronomy e na Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.