Aglomerado Bullet: Colisão cósmica e prova direta da matéria escura

O Aglomerado Bullet

Um aglomerado de galáxias em colisão

O Aglomerado Bullet, também conhecido como 1E 0657-56, é um aglomerado de galáxias famoso pela sua espetacular colisão entre dois aglomerados mais pequenos. Localizado a cerca de 3,4 mil milhões de anos-luz, este aglomerado foi estudado em detalhe pelo Telescópio espacial Hubble e pelo Observatório Chandra. O seu nome, « Bala », refere-se à forma distintiva do aglomerado resultante da colisão.

Composição física do aglomerado

O Aglomerado Bullet é composto por milhares de galáxias, gás quente e matéria escura. As observações em raios X de Chandra revelaram que o gás quente, que representa a maior parte da matéria bariónica (visível), está separado da matéria escura. Esta separação é uma prova direta da existência da matéria escura, pois esta não interage com a matéria ordinária da mesma maneira que o gás quente.

Lente gravitacional e cartografia da matéria escura

As observações do Aglomerado Bullet permitiram aos astrónomos utilizar o efeito de lente gravitacional para cartografar a distribuição da matéria escura. Ao observar as deformações das imagens das galáxias de fundo, os cientistas puderam confirmar a presença e distribuição da matéria escura no aglomerado. Esta técnica foi crucial para compreender a dinâmica da colisão e a estrutura interna do aglomerado.

A Matéria Escura do Aglomerado Bullet

Gás intra-aglomerado e plasma quente

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

Distribuição da massa e conteúdo energético do Universo

O gás distribui-se de forma muito mais difusa: preenche o espaço entre as galáxias e estende-se muito para além. A massa do gás pertencente ao aglomerado é muito maior do que a massa das próprias galáxias. Se medirmos a dinâmica gravitacional do Universo em grande escala, a massa da matéria ordinária do 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 unicamente à matéria ordinária.

Como se pode ver a matéria escura?

Gravitação e colisão de aglomerados de galáxias

Toda a matéria — matéria ordinária e matéria escura — está sujeita às forças do campo gravitacional. O Aglomerado Bullet 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 desta colisão, iniciado em agosto de 2006, forneceu uma das provas observacionais mais sólidas da existência da matéria escura.

Comportamento diferenciado dos constituintes durante a colisão

Quando os aglomerados colidem, a matéria ordinária (estrelas, gás e poeira) está sujeita às forças gravitacionais. Na realidade, os objetos massivos como as estrelas quase nunca colidem diretamente: o espaço interestelar é imenso e as estrelas passam umas ao lado das outras sem se encontrarem. Portanto, não são destruídas, mas podem ser ligeiramente aceleradas ou abrandadas por interação gravitacional.

Em contrapartida, durante a colisão, os gases frios e quentes, que constituem a maior parte da massa bariónica dos aglomerados, interagem fortemente. Estes gases são abruptamente abrandados, comprimidos e misturados devido à sua natureza difusa, à sua fraca ligação e à sua liberdade atómica. Este comportamento contrastado é claramente visível nas imagens compostas do Aglomerado Bullet.

Emissão em raios X e assinatura energética da colisão

Esta gigantesca colisão entre os dois aglomerados libertou uma energia considerável. A observação no domínio dos raios X fornece uma visão fundamental sobre a matéria escura, porque 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 múltiplas manchas brancas. Os gases quentes são detetados no domínio dos raios X e aparecem como nuvens vermelhas. A matéria escura, por seu lado, é cartografada indiretamente por 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 da direita e um aglomerado mais massivo na mancha azul da esquerda. As envolventes gasosas associadas aparecem em vermelho. Na realidade, o pequeno aglomerado de galáxias atravessou o grande aglomerado, deixando para trás o seu gás fortemente abrandado.

Onda de choque e aquecimento do plasma intra-aglomerado

A colisão literalmente « despenteou » os aglomerados do seu halo gasoso, gerando uma onda de choque visível na frente da pequena mancha vermelha. Esta onda de choque comprimiu e aqueceu o plasma intra-aglomerado até temperaturas da ordem dos 100 milhões de graus. O Observatório Chandra mediu localmente velocidades do gás que atingiam os 4500 km/s.

Separação matéria bariónica / matéria escura: prova observacional

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

Durante este choque frontal titânico, a matéria escura comportou-se como uma componente colisional negligenciável: atravessou o outro aglomerado sem interação significativa, ao contrário do gás interestelar que foi arrancado e abrandado. Esta clara separação entre a matéria escura e as nuvens de gás constitui uma prova direta e robusta da existência da matéria escura.