Última atualização: 28 de junho de 2024

Aglomerado Bala: Colisão Cósmica e Prova Direta da Matéria Escura

Descrição da imagem: O que vemos nesta imagem composta em cores falsas?
Vemos toda a matéria do Aglomerado Bala. Os dois aglomerados de galáxias do Aglomerado Bala estão na área azul e as duas nuvens de gás galáctico são vistas em raios X, em vermelho. As áreas coloridas em azul representam a maior parte da massa dos aglomerados, ou seja, a matéria escura, seis vezes mais massiva que a matéria ordinária. O Aglomerado Bala é o menor dos dois aglomerados, aquele que atravessa o outro (área azul à direita). A gigantesca colisão "despiu" os dois aglomerados de seu halo de gás, causando uma onda de choque visível na ponta da pequena mancha vermelha. Esta onda de choque comprimiu e aqueceu fortemente o gás do aglomerado até atingir 100 milhões de graus. Podemos distinguir algo como uma bala seguida de seu rastro de gás. Crédito: NASA CXC CfA.

O Aglomerado Bala

Um aglomerado de galáxias em colisão

O Aglomerado Bala, também conhecido como 1E 0657-56, é um aglomerado de galáxias famoso por sua colisão espetacular entre dois aglomerados menores. Localizado a cerca de 3,4 bilhões de anos-luz, este aglomerado foi estudado em detalhe pelo Telescópio Espacial Hubble e pelo Observatório de Raios-X Chandra. Seu nome, "Bala", refere-se à forma distintiva do aglomerado resultante da colisão.

Composição física do aglomerado

O Aglomerado Bala é composto por milhares de galáxias, gás quente e matéria escura. Observações em raios X pelo Chandra revelaram que o gás quente, que representa a maior parte da matéria bariônica (visível), está separado da matéria escura. Essa separação é uma prova direta da existência da matéria escura, pois ela não interage com a matéria ordinária da mesma forma que o gás quente.

Lente gravitacional e mapeamento da matéria escura

As observações do Aglomerado Bala permitiram aos astrônomos usar o efeito de lente gravitacional para mapear a distribuição da matéria escura. Ao observar as distorções nas imagens das galáxias de fundo, os cientistas puderam confirmar a presença e distribuição da matéria escura no aglomerado. Essa técnica foi crucial para entender a dinâmica da colisão e a estrutura interna do aglomerado.

A Matéria Escura no Aglomerado Bala

Gás intra-aglomerado e plasma quente

Os aglomerados de galáxias não são compostos apenas de galáxias; eles estão imersos em gás frio de baixa densidade (cerca de 1000 partículas/m³) e em gás quente que atinge de 10 a 100 milhões de graus. Nessas temperaturas, o gás está totalmente ionizado, formando um plasma visível no domínio dos raios X.

Distribuição de massa e conteúdo energético do Universo

O gás está distribuído de maneira muito mais difusa; ele preenche o espaço entre as galáxias e se estende muito além. A massa do gás pertencente ao aglomerado é muito maior que a massa das galáxias em si. Se medirmos a dinâmica gravitacional do Universo em grande escala, a massa da matéria ordinária no Universo observável representa apenas cerca de 4% da massa total. Cerca de 23% corresponderia à matéria escura e 73% à energia escura, como descrito no modelo SCDM (Standard Cold Dark Matter). O que observamos através da luz das estrelas, galáxias e aglomerados corresponde apenas à matéria ordinária.

Como podemos ver a matéria escura?

Gravidade e colisões de aglomerados de galáxias

Toda a matéria, ordinária e escura, está sujeita às forças do campo gravitacional. O Aglomerado Bala ou 1E 0657-56, observável na constelação de Carina, é o resultado da colisão de dois aglomerados de galáxias que ocorreu há cerca de 150 milhões de anos. O estudo dessa colisão, iniciado em agosto de 2006, forneceu uma das provas observacionais mais sólidas da existência da matéria escura.

Comportamento diferenciado dos componentes durante a colisão

Quando aglomerados colidem, a matéria ordinária (estrelas, gás e poeira) está sujeita às forças gravitacionais. Na realidade, objetos massivos como estrelas quase nunca colidem diretamente: o espaço interestelar é imenso e as estrelas passam umas pelas outras sem se encontrarem. Elas não são destruídas, mas podem ser levemente aceleradas ou desaceleradas pela interação gravitacional.

Por outro lado, durante a colisão, os gases frios e quentes, que constituem a maior parte da massa bariônica dos aglomerados, interagem fortemente. Esses gases são abruptamente desacelerados, comprimidos e misturados devido à sua natureza difusa, fraca ligação e liberdade atômica. Esse comportamento contrastante é claramente visível nas imagens compostas do Aglomerado Bala.

Emissão de raios X e assinatura energética da colisão

Esta gigantesca colisão entre os dois aglomerados liberou uma energia considerável. A observação no domínio dos raios X fornece uma visão fundamental sobre a matéria escura, pois as estrelas, os gases e a matéria escura reagem de maneira muito diferente ao choque gravitacional.

Observação multi-comprimento de onda

As galáxias dos dois aglomerados são observadas em luz visível e aparecem como múltiplos pontos brancos. Os gases quentes são detectados no domínio dos raios X e aparecem como nuvens vermelhas. A matéria escura, por outro lado, é mapeada indiretamente pelo efeito de lente gravitacional e representada por uma luz azul difusa.

Geometria da colisão e travessia dos aglomerados

A imagem mostra centenas de galáxias agrupadas em aglomerados, com um pequeno aglomerado visível na mancha azul à direita e um aglomerado mais massivo na mancha azul à esquerda. As envelopes gasosas associadas aparecem em vermelho. Na realidade, o pequeno aglomerado de galáxias atravessou o grande aglomerado, deixando para trás seu gás fortemente desacelerado.

Onda de choque e aquecimento do plasma intra-aglomerado

A colisão literalmente "despiu" os aglomerados de seu halo gasoso, gerando uma onda de choque visível na frente da pequena mancha vermelha. Essa onda de choque comprimiu e aqueceu o plasma intra-aglomerado a temperaturas de cerca de 100 milhões de graus. O telescópio Chandra X-ray Observatory mediu localmente velocidades de deslocamento do gás que atingiam 4500 km/s.

Separação matéria bariônica/matéria escura: prova observacional

Os dois aglomerados estão agora separados por cerca de 3,4 bilhões de anos-luz. A massa total deduzida de sua dinâmica gravitacional é muito maior que a massa da matéria ordinária observável (galáxias visíveis em óptica e gás detectado em raios X). As regiões coloridas em azul mostram a distribuição da matéria escura invisível.

Durante esta colisão frontal titânica, a matéria escura comportou-se como um componente de colisão insignificante: atravessou o outro aglomerado sem interação significativa, ao contrário do gás interestelar, que foi arrancado e desacelerado. Essa clara separação entre a matéria escura e as nuvens de gás constitui uma prova direta e robusta da existência da matéria escura.