Astrônomos desvendaram uma colisão confusa entre dois aglomerados massivos de galáxias em que as vastas nuvens de matéria escura dos aglomerados se desacoplaram da chamada matéria normal. Os dois aglomerados contêm milhares de galáxias cada e estão localizados a bilhões de anos-luz de distância da Terra.

À medida que se atravessavam, a matéria escura — uma substância invisível que sente a força da gravidade, mas não emite luz — acelerou à frente da matéria normal. As novas observações são as primeiras a sondar diretamente o desacoplamento das velocidades da matéria escura e normal.

Os aglomerados de galáxias estão entre as maiores estruturas do universo, colados pela força da gravidade. Apenas 15% da massa em tais aglomerados é matéria normal, a mesma matéria que compõe planetas, pessoas e tudo o que você vê ao seu redor. Dessa matéria normal, a grande maioria é gás quente, enquanto o resto são estrelas e planetas. Os 85% restantes da massa do aglomerado são matéria escura.

Durante a disputa que ocorreu entre os aglomerados, conhecidos coletivamente como MACS J0018.5+1626, as galáxias individuais em si saíram ilesas porque existe muito espaço entre elas. Mas quando os enormes estoques de gás entre as galáxias (a matéria normal) colidiram, o gás tornou-se turbulento e superaquecido.

Enquanto toda a matéria, incluindo a matéria normal e a matéria escura, interage via gravidade, a matéria normal também interage via eletromagnetismo, o que a desacelera durante uma colisão. Então, enquanto a matéria normal ficava atolada, os reservatórios de matéria escura dentro de cada aglomerado navegavam.

Pense em uma colisão massiva entre vários caminhões basculantes carregando areia, sugere Emily Silich, autora principal de um novo estudo descrevendo as descobertas no The Astrophysical Journal. "A matéria escura é como a areia e voa à frente", diz ela. Silich é uma estudante de pós-graduação que trabalha com Jack Sayers, professor pesquisador de física no Caltech e principal investigador do estudo.

A descoberta foi feita usando dados do Observatório Submilimétrico Caltech (que foi recentemente removido de seu local em Maunakea no Havaí e será realocado para o Chile), o Observatório WM Keck em Maunakea, o Observatório de raios X Chandra da NASA, o Telescópio Espacial Hubble da NASA, o Observatório Espacial Herschel da Agência Espacial Europeia, agora aposentado, e o observatório Planck (cujos centros científicos afiliados da NASA eram baseados no IPAC do Caltech) e o Experimento do Telescópio Submilimétrico Atacama no Chile. Algumas das observações foram feitas décadas atrás, enquanto a análise completa usando todos os conjuntos de dados ocorreu nos últimos dois anos.

Esse desacoplamento de matéria escura e normal já foi visto antes, mais notoriamente no Bullet Cluster. Nessa colisão, o gás quente pode ser visto claramente ficando para trás da matéria escura depois que os dois aglomerados de galáxias dispararam um através do outro. A situação que ocorreu no MACS J0018.5+1626 (referido posteriormente como MACS J0018.5) é semelhante, mas a orientação da fusão é rotacionada, aproximadamente 90 graus em relação à do Bullet Cluster.

Em outras palavras, um dos aglomerados massivos no MACS J0018.5 está voando quase direto em direção à Terra enquanto o outro está se afastando rapidamente. Essa orientação deu aos pesquisadores um ponto de vista único para, pela primeira vez, mapear a velocidade da matéria escura e da matéria normal e elucidar como elas se desacoplaram uma da outra durante uma colisão de aglomerados de galáxias.

"Com o Bullet Cluster, é como se estivéssemos sentados em uma arquibancada assistindo a uma corrida de carros e somos capazes de capturar belos instantâneos dos carros se movendo da esquerda para a direita na reta", diz Sayers. "No nosso caso, é mais como se estivéssemos na reta com uma arma de radar, parados na frente de um carro enquanto ele vem em nossa direção e somos capazes de obter sua velocidade."

Para medir a velocidade da matéria normal, ou gás, no aglomerado, os pesquisadores usaram um método observacional conhecido como efeito cinético Sunyaev-Zel'dovich (SZ). Sayers e seus colegas fizeram a primeira detecção observacional do efeito cinético SZ em um objeto cósmico individual, um aglomerado de galáxias chamado MACS J0717, em 2013, usando dados do CSO (as primeiras observações do efeito SZ tiradas do MACS J0018.5 datam de 2006).

O efeito SZ cinético ocorre quando fótons do universo primitivo, o fundo cósmico de micro-ondas (CMB), espalham elétrons em gás quente em seu caminho em direção a nós na Terra. Os fótons sofrem uma mudança, chamada de mudança Doppler, devido aos movimentos dos elétrons nas nuvens de gás ao longo da nossa linha de visão. Ao medir a mudança no brilho do CMB devido a essa mudança, os pesquisadores podem determinar a velocidade das nuvens de gás dentro dos aglomerados de galáxias.

"Os efeitos Sunyaev-Zeldovich ainda eram uma ferramenta de observação muito nova quando Jack e eu usamos uma nova câmera no CSO para observar aglomerados de galáxias em 2006, e não tínhamos ideia de que haveria descobertas como essa", diz Sunil Golwala, professor de física e orientador de doutorado de Silich.

"Estamos ansiosos por uma série de novas surpresas quando colocarmos instrumentos de última geração no telescópio em sua nova casa no Chile."

Em 2019, os pesquisadores fizeram essas medições cinéticas de SZ em vários aglomerados de galáxias, que lhes informaram a velocidade do gás, ou matéria normal. Eles também usaram o Keck para aprender a velocidade das galáxias no aglomerado, que lhes informou por procuração a velocidade da matéria escura (porque a matéria escura e as galáxias se comportam de forma semelhante durante a colisão).

Mas, neste estágio da pesquisa, a equipe tinha uma compreensão limitada das orientações dos aglomerados. Eles só sabiam que um deles, MACS J0018.5, mostrava sinais de algo estranho acontecendo — o gás quente, ou matéria normal, estava viajando na direção oposta à matéria escura.

"Tínhamos essa coisa completamente estranha com velocidades em direções opostas, e a princípio achamos que poderia ser um problema com nossos dados. Até mesmo nossos colegas que simulam aglomerados de galáxias não sabiam o que estava acontecendo", diz Sayers. "E então Emily se envolveu e desembaraçou tudo."

Para parte de sua tese de doutorado, Silich abordou o enigma do MACS J0018.5. Ela recorreu a dados do Observatório de raios X Chandra para revelar a temperatura e a localização do gás nos aglomerados, bem como o grau em que o gás estava sendo chocado.

"Essas colisões de aglomerados são os fenômenos mais energéticos desde o Big Bang", diz Silich. "O Chandra mede as temperaturas extremas do gás e nos conta sobre a idade da fusão e quão recentemente os aglomerados colidiram."

A equipe também trabalhou com Adi Zitrin, da Universidade Ben-Gurion do Negev, em Israel, para usar dados do Hubble para mapear a matéria escura usando um método conhecido como lente gravitacional.

Além disso, John ZuHone do Center for Astrophysics em Harvard & Smithsonian ajudou a equipe a simular a colisão do aglomerado. Essas simulações foram usadas em combinação com dados de vários telescópios para, finalmente, determinar a geometria e o estágio evolutivo do encontro do aglomerado. Os cientistas descobriram que, antes da colisão, os aglomerados estavam se movendo em direção um ao outro a aproximadamente 3000 quilômetros/segundo, o que equivale a aproximadamente 1% da velocidade da luz.

Com uma imagem mais completa do que estava acontecendo, os pesquisadores conseguiram descobrir por que a matéria escura e a matéria normal pareciam estar viajando em direções opostas. Embora os cientistas digam que é difícil visualizar, a orientação da colisão, juntamente com o fato de que a matéria escura e a matéria normal se separaram uma da outra, explica as medições de velocidade estranhas.

No futuro, os pesquisadores esperam que mais estudos como este levem a novas pistas sobre a natureza misteriosa da matéria escura.

"Este estudo é um ponto de partida para estudos mais detalhados sobre a natureza da matéria escura", diz Silich. "Temos um novo tipo de sonda direta que mostra como a matéria escura se comporta de forma diferente da matéria normal."

Sayers, que se lembra de ter coletado os dados do CSO sobre este objeto pela primeira vez há quase 20 anos, diz: "Levamos muito tempo para juntar todas as peças do quebra-cabeça, mas agora finalmente sabemos o que está acontecendo. Esperamos que isso leve a uma maneira totalmente nova de estudar a matéria escura em aglomerados."