Misteriosa massa escura descoberta nas profundezas de uma galáxia distante.

Em vez de ser visto, este enigmático “pedaço” de massa foi denunciado pelo que faz ao espaço-tempo: uma equipa de astrónomos identificou um pequeno aglomerado de matéria invisível incrustado numa galáxia cuja luz demorou cerca de 7,3 mil milhões de anos a chegar até nós.

O mais intrigante é a escala do achado. Para a distância cosmológica a que foi detetado, o objeto é minúsculo: terá aproximadamente um milhão de vezes a massa do Sol. Até hoje, não se conhecia nenhum alvo tão leve inferido apenas pelo seu efeito gravitacional a distâncias tão grandes - é uma deteção cerca de 100 vezes mais “pequena” do que as anteriores.

Devon Powell, astrofísico do Instituto Max Planck de Astrofísica (Alemanha) e líder do trabalho, resume a relevância: este é “o objeto de menor massa conhecido” encontrado a uma distância cosmológica por via do seu impacto gravitacional, “duas ordens de grandeza” abaixo do que era possível até agora. E acrescenta que o estudo confirma, na prática, que a imagem gravitacional consegue sondar o regime de um milhão de massas solares muito para lá do Universo local.

Matéria escura e distribuição da massa: o problema de ver o invisível

As observações do cosmos indicam que existe algo que não emite luz e que interage com o restante Universo essencialmente através da gravidade. A esse ingrediente damos o nome de matéria escura. Há várias hipóteses para a sua natureza, e um aspeto crucial para as distinguir é saber se a matéria escura se distribui de forma mais suave ou mais grumosa (com aglomerados).

O desafio é evidente: como a matéria escura não brilha, não é simples desenhar mapas da sua distribuição. É aqui que a gravidade se torna uma ferramenta de observação.

Como uma lente gravitacional expõe grumos de massa

Qualquer coisa com massa curva o espaço-tempo; quanto maior a massa, maior a curvatura. Uma forma intuitiva de imaginar isto é pensar numa lona esticada (como a de um trampolim) e numa bola pesada colocada ao centro: qualquer objeto pequeno que deslize na lona tende a seguir trajetórias curvas por causa da depressão criada.

Transpondo para o cosmos, a “bola pesada” é uma galáxia e o “objeto pequeno” é um fotão. Quando a luz de uma galáxia distante atravessa a região de espaço-tempo deformada pela gravidade de uma galáxia mais próxima, essa luz pode chegar até nós esticada, distorcida e ampliada. Este fenómeno chama-se lente gravitacional.

Estas lentes são valiosas por dois motivos: ampliam o Universo distante de uma forma que nenhum telescópio consegue replicar diretamente e, ao mesmo tempo, as distorções registadas permitem reconstruir como a matéria (visível e invisível) está distribuída na galáxia que funciona como lente.

Lente gravitacional e matéria escura no sistema JVAS B1938+666

Foi precisamente isso que Powell e colegas decidiram explorar, apontando uma rede de radiotelescópios para um sistema de lente gravitacional já bem conhecido, o JVAS B1938+666. Para o estudo, foram usadas observações de alta resolução com instrumentos como o Telescópio de Green Bank, o Conjunto de Antenas de Linha de Base Muito Longa e a Rede Europeia de Interferometria de Linha de Base Muito Longa.

O sistema é composto por: - uma galáxia em primeiro plano, cuja luz viajou cerca de 7,3 mil milhões de anos até nós; - uma galáxia ainda mais distante, com um tempo de viagem da luz de aproximadamente 10,5 mil milhões de anos, cuja emissão foi estendida e quadruplicada pela galáxia mais próxima.

Numa das imagens da galáxia de fundo - um arco luminoso intenso e alongado - os investigadores detetaram uma espécie de “beliscão”, uma depressão localizada no arco. Ao modelarem o fenómeno, concluíram que essa marca não pode ser explicada apenas pela massa da galáxia-lente. Para produzir aquele detalhe, tem de existir um aglomerado adicional de massa ao longo da linha de visão, inferência obtida com um nível de confiança muito elevado: 26 sigma.

John McKean, astrónomo da Universidade de Groningen (Países Baixos), descreve o momento: logo na primeira imagem de alta resolução, a equipa viu o estreitamento no arco gravitacional, um sinal típico de subestrutura. Na sua leitura, “só outro pequeno aglomerado de massa entre nós e a galáxia de rádio distante” conseguiria causar aquele padrão.

O que pode ser o “culpado”: aglomerado de matéria escura ou galáxia anã

O objeto responsável não mostra emissão detetável em comprimentos de onda óticos, de rádio ou infravermelhos. Ou é completamente escuro, ou é tão ténue que fica abaixo dos limites atuais de deteção. Isso abre duas possibilidades principais: - um aglomerado de matéria escura; - uma galáxia anã com luminosidade demasiado baixa para ser observada.

Para já, ambas as hipóteses continuam em cima da mesa, e serão necessários novos dados para identificar com segurança o que está a produzir a anomalia gravitacional.

Porque isto importa para a teoria da matéria escura fria

A equipa nota que, dada a sensibilidade do conjunto de observações, já era razoável esperar encontrar pelo menos um objeto escuro. Por isso, a descoberta é compatível com a chamada teoria da matéria escura fria, que sustenta grande parte da explicação atual sobre como as galáxias se formam e crescem. A próxima questão torna-se inevitável: será possível encontrar mais objetos semelhantes e, se sim, o seu número continuará a bater certo com os modelos?

Uma implicação adicional é metodológica: ao empurrar a imagem gravitacional para massas tão baixas (na ordem de um milhão de massas solares), a astronomia ganha uma forma de testar, de maneira indireta, se a matéria escura se organiza em muitos subaglomerados pequenos - exatamente o tipo de sinal que separa cenários concorrentes sobre a natureza dessa componente invisível.

Vale também sublinhar o papel da interferometria de linha de base muito longa: ao combinar radiotelescópios separados por grandes distâncias, consegue-se uma resolução extremamente fina, capaz de revelar pequenas irregularidades em arcos de lente gravitacional que, de outra forma, passariam despercebidas. Esse tipo de detalhe é crucial para distinguir uma distorção criada por estruturas internas da galáxia-lente de uma distorção provocada por um grumo adicional de massa.

Os resultados foram descritos em dois artigos complementares, publicados na revista Nature Astronomia e na Notícias Mensais da Sociedade Astronómica Real.