Medições de aceleração pulsar revelam o lado escuro da Via Láctea

É sabido que a expansão do universo está acelerando devido a uma misteriosa energia escura. Dentro das galáxias, as estrelas também experimentam uma aceleração, embora isso seja devido a algumas combinações de matéria escura e densidade estelar. Em um novo estudo a ser publicado no Astrophysical Journal Letters, pesquisadores obtiveram agora a primeira medição direta da aceleração média que ocorre dentro de nossa galáxia natal, a Via Láctea.

Liderada por Sukanya Chakrabarti no Instituto de Estudos Avançados com colaboradores do Instituto de Tecnologia de Rochester, Universidade de Rochester e Universidade de Wisconsin-Milwaukee, a equipe usou dados pulsares para marcar as acelerações radiais e verticais das estrelas dentro e fora do plano galáctico. Com base nessas novas medições de alta precisão e na conhecida quantidade de matéria visível na galáxia, os pesquisadores foram então capazes de calcular a densidade de matéria escura da Via Láctea sem fazer a suposição usual de que a galáxia está em um estado estável.

“Nossa análise não só nos dá a primeira medição das pequenas acelerações experimentadas pelas estrelas na galáxia, mas também abre a possibilidade de estender esse trabalho para entender a natureza da matéria escura e em última instância, a energia escura em escalas maiores”, afirmou Chakrabarti, autor principal do artigo e membro atual do IBM Einstein Fellow do Instituto de Estudos Avançados.

As estrelas atravessam a galáxia a centenas de quilômetros por segundo, mas este estudo indica que a mudança em suas velocidades está ocorrendo no ritmo de um caracol literal – alguns centímetros por segundo, que é quase a mesma velocidade que um bebê rastejante. Para detectar esse movimento sutil, a equipe de pesquisa se baseou na capacidade de manutenção do tempo ultrapreciso de pulsares que são amplamente distribuídos por todo o plano galáctico e halo – uma região esférica difusa que circunda a galáxia.

“Explorando as propriedades únicas dos pulsares, fomos capazes de medir acelerações muito pequenas na Galáxia. Nosso trabalho abre uma nova janela na dinâmica galáctica”, disse o coautor Philip Chang, da Universidade de Wisconsin-Milwaukee.

Estendendo-se para fora aproximadamente 300.000 anos luz do centro galáctico, o halo pode fornecer dicas importantes para a compreensão da matéria escura, que representa cerca de 90% da massa da galáxia e está altamente concentrada acima e abaixo do plano galáctico denso estelar. O movimento estelar nesta região em particular, foco primário deste estudo, pode ser influenciado pela matéria escura. Utilizando as medições de densidade local obtidas através deste estudo, os pesquisadores terão agora uma ideia melhor de como e onde procurar matéria escura.

Enquanto estudos anteriores assumiram um estado de equilíbrio galáctico para calcular a densidade média de massa, esta pesquisa é baseada no estado natural, do não equilíbrio da galáxia. Pode-se analisar à diferença entre a superfície de um lago antes e depois de uma pedra jogada para dentro. Ao contabilizar as “ondulações” a equipe foi capaz de obter uma imagem mais precisa da realidade. Embora neste caso, em vez de pedras, a Via Láctea é influenciada por uma história turbulenta de fusões galácticas e continua a ser perturbada por galáxias anãs externas como as Pequenas e Grandes Nuvens de Magalhães. Como resultado, as estrelas não têm órbitas planas e tendem a seguir um caminho semelhante ao de um disco de vinil distorcido, cruzando acima e abaixo do plano galáctico. Um dos principais fatores que possibilitou essa abordagem observacional direta foi o uso de dados pulsares compilados a partir de colaborações internacionais, incluindo o NANOGrav (Observatório Norte-Americano de Ondas Gravitacionais nanohertz) que obteve dados dos telescópios Green Bank e Arecibo.

Este artigo de referência expande-se sobre o trabalho de Jan H. Oort (1932); John Bahcall (1984); Kuijken & Gilmore (1989); Holmberg & Flynn (2000); Jo Bovy & Scott Tremaine (2012) para calcular a densidade média de massa no plano galáctico (limite de Oort) e a densidade local de matéria escura. Estudiosos da IAS, incluindo Oort, Bahcall, Bovy, Tremaine e Chakrabarti desempenharam um papel importante no avanço desta área de pesquisa.

“Durante séculos, os astrônomos mediram as posições e velocidades das estrelas, mas estes fornecem apenas uma pequena demonstração do complexo comportamento dinâmico da galáxia Via Láctea”, afirmou Scott Tremaine, professor emérito do Instituto de Estudos Avançados. “As acelerações medidas por Chakrabarti e seus colaboradores são diretamente causadas pelas forças gravitacionais da matéria na galáxia, visíveis e escuras e assim fornecem uma nova e promissora janela sobre a distribuição e a composição da matéria na galáxia e no universo.”

Este artigo em particular permitirá uma grande variedade de estudos futuros. Medições precisas de acelerações também serão possíveis em breve usando o método de velocidade radial complementar que Chakrabarti desenvolveu no início deste ano, que mede a mudança na velocidade das estrelas com alta precisão. Este trabalho também permitirá simulações mais detalhadas da Via Láctea, melhorará as restrições à relatividade geral e fornecerá pistas na busca da matéria escura. Extensões deste método podem em última análise nos permitir medir diretamente a aceleração cósmica também.

Embora uma imagem direta de nossa galáxia natal, semelhante à da Terra tirada pelos astronautas da Apollo ainda não seja possível, este estudo forneceu novos detalhes essenciais para ajudar a vislumbrar a organização dinâmica da galáxia de dentro.

Fonte: Materiais fornecidos pelo Instituto de Estudos Avançados 

Referência: Sukanya Chakrabarti, Philip Chang, Michael T. Lam, Sarah J. Vigeland, Alice C. Quillen. Uma medição da densidade de massa do plano galáctico a partir de acelerações pulsares binárias. arXiv.org, 2 de janeiro de 2021