Galáxias sem matéria escura desafiam as teorias sobre sua formação e evolução

Galáxias são agrupamentos massivos de estrelas, gases e poeira cósmica que se mantêm coesos devido à força da gravidade.

O paradigma dominante tem sido o de que esses sistemas, para se formarem, evoluírem e manterem sua estabilidade, dependem essencialmente da matéria escura - um tipo ainda misterioso de matéria cuja quantidade no universo é muito maior do que a da matéria bariônica, aquela que conhecemos diretamente e que é formada por átomos (para saber mais, leia nosso artigo "Matéria e energia", da série sobre o modelo cosmológico padrão).

A razão dessa interpretação reside nos resultados de medições da massa total das galáxias, que historicamente indicam que elas possuem muito mais massa do que aquela correspondente à matéria visível.

No entanto, descobertas mais recentes, que começaram a surgir a partir de 2018, sugerem que esse paradigma pode não ser totalmente correto. Evidências apontam para a existência de certos tipos de galáxias com muito pouca - ou aparentemente nenhuma - matéria escura.

Ao longo do tempo, consolidou-se entre os cientistas a ideia de que uma galáxia sem matéria escura não conseguiria manter sua estrutura, desintegrando-se na ausência de uma quantidade significativa dessa componente invisível.

Por essa razão, muitos autores passaram a incorporar esse requisito à própria definição de galáxia, incluindo-o também nos modelos que descrevem como essas estruturas se formam, evoluem e mantêm sua estabilidade.

De acordo com os modelos mais aceitos, existem, no entanto, algumas exceções. Entre elas estão as chamadas galáxias relíquias - sistemas grandes, raros e considerados remanescentes do universo primordial, que preservam características de estágios iniciais de formação galáctica.

Outra exceção envolve um tipo específico de galáxia anã: as galáxias anãs de maré. Esses sistemas se originam a partir de detritos resultantes de interações ou colisões entre galáxias maiores e, por esse motivo, podem se formar sem a participação significativa de matéria escura.

Para os demais tipos de galáxias - incluindo a maior parte das galáxias anãs - prevalece o entendimento de que sua formação e estabilidade não seriam possíveis sem a presença de matéria escura. Mas será que essa ideia é, de fato, universalmente válida?

Em meio a esse contexto, uma descoberta realizada em 2018 chamou a atenção da comunidade científica. O estudo foi publicado na revista Nature (van Dokkum et al., 2018), com acesso restrito. No entanto, uma versão aberta equivalente, disponível no arXiv, apresenta os principais detalhes técnicos da análise.

O que os astrônomos da Universidade de Yale, Pieter van Dokkum e Shany Danieli, identificaram foi uma galáxia que aparentemente não possuía - ou possuía em quantidade extremamente reduzida - matéria escura. E não se tratava de uma galáxia relíquia nem de uma galáxia anã de maré.

O sistema foi denominado NGC 1052-DF2 (ou simplesmente DF2). Trata-se de uma galáxia ultradifusa, uma classe de galáxias anãs que começou a ser identificada mais sistematicamente a partir de 2015, quando centenas desses objetos foram detectados no Aglomerado de Coma - um conjunto de galáxias situado a cerca de 300 milhões de anos-luz de distância - por meio do instrumento Dragonfly Telephoto Array, no Novo México.

A questão que emergiu dessa descoberta foi imediata: como uma estrutura desse tipo poderia se formar - e, sobretudo, manter sua estabilidade - sem a presença significativa de matéria escura? A DF2 encontra-se em uma região dominada por galáxias massivas. Como, então, uma galáxia anã ultradifusa poderia resistir às interações gravitacionais de suas vizinhas sem o aparente suporte de um halo de matéria escura?

Como se pode determinar as quantidades de matéria normal e de matéria escura em uma galáxia? Em termos gerais, compara-se a massa estelar - composta por estrelas, gás e poeira cósmica - com a massa total inferida do sistema. Normalmente, essas medições indicam uma massa total significativamente maior que a massa estelar, o que sugere a presença dominante de matéria escura.

Não é possível "pesar" diretamente uma galáxia. Por isso, os cientistas recorrem à análise de seus efeitos gravitacionais. A matéria escura, em particular, não é observável de forma direta, sendo sua existência inferida justamente a partir da influência gravitacional que exerce sobre a matéria visível.

Uma das formas de realizar essa inferência consiste em medir as velocidades dos objetos que orbitam no interior da galáxia. Essas velocidades são determinadas por meio de técnicas espectroscópicas, que permitem analisar o deslocamento das linhas espectrais da luz emitida pelos objetos - um efeito conhecido como deslocamento Doppler.

A DF2 é uma galáxia ultradifusa, com baixa luminosidade e poucas estrelas observáveis. No entanto, ela abriga aglomerados globulares relativamente brilhantes e massivos, que puderam ser utilizados como traçadores do campo gravitacional do sistema.

O grau de variação das velocidades desses objetos é denominado dispersão de velocidades. Quando as velocidades são semelhantes entre si, a dispersão é baixa; quando variam significativamente, a dispersão é alta.

Uma alta dispersão de velocidades indica um campo gravitacional mais intenso e, portanto, uma maior massa total. Em galáxias típicas, essas medições revelam valores de massa superiores àqueles atribuídos apenas à matéria bariônica, o que é interpretado como evidência da presença de matéria escura.

No entanto, as medições da dispersão de velocidades dos aglomerados globulares da DF2 conduziram a um resultado surpreendente: uma dispersão muito baixa, indicando uma massa total praticamente compatível com a massa estelar. Em outras palavras, não foram identificados indícios significativos da presença de matéria escura nesse sistema.

A descoberta - que desafia aspectos dos modelos vigentes de formação e evolução de galáxias - gerou controvérsias na comunidade científica. Uma das críticas mais relevantes apontou possíveis imprecisões na determinação da distância da galáxia, fator que influencia diretamente os cálculos das velocidades e, consequentemente, da massa inferida.

Observações posteriores, realizadas com o Telescópio Espacial Hubble, indicaram uma distância compatível com as estimativas iniciais. Ainda assim, permanecem questionamentos quanto às incertezas dessas medições, bem como limitações decorrentes do pequeno número de aglomerados globulares analisados.

O debate permanece em aberto, e descobertas subsequentes viriam a reforçar a possibilidade da existência de galáxias com pouca ou nenhuma matéria escura.

Em 2019, em meio às controvérsias iniciais, van Dokkum e sua equipe anunciaram a descoberta de outra galáxia ultradifusa, denominada NGC 1052-DF4 (DF4), aparentemente muito semelhante à DF2. O estudo foi publicado na revista The Astrophysical Journal Letters.

A DF4 apresentou características compatíveis com as observadas na DF2, incluindo uma baixa dispersão de velocidades, o que novamente sugeria uma deficiência significativa de matéria escura.

Em 2022, o grupo publicou um estudo mais abrangente, reunindo dados da DF2 e da DF4 e propondo um possível cenário de formação para esses sistemas, associado a interações ou colisões entre galáxias, assim como ocorre com as anãs de maré.

Evidências adicionais surgiram quando Michael Keim, em colaboração com a equipe de Yale liderada por van Dokkum, anunciou no arXiv a identificação de uma terceira galáxia ultradifusa: a NGC 1052-DF9 (DF9). Esse objeto apresenta propriedades semelhantes às de DF2 e DF4 e aparenta estar alinhado com elas, sugerindo a existência de um possível "rastro" de galáxias com características incomuns.

Apesar dessas sucessivas descobertas, permanecem questões importantes quanto à robustez da hipótese de que DF2, DF4 e DF9 sejam realmente desprovidas de matéria escura, bem como sobre suas possíveis origens. Persistem, por exemplo, discussões relacionadas às incertezas nas medições de distância e ao número relativamente reduzido de aglomerados globulares utilizados nas análises.

Ainda assim, o acúmulo de evidências fez com que o tema deixasse de ser considerado meramente especulativo, passando a ocupar um lugar de destaque entre os objetos de investigação científica contemporânea.

Se confirmados de forma conclusiva, esses resultados poderão representar uma profunda revisão dos modelos vigentes de formação de galáxias. Ao mesmo tempo, reforçam um aspecto fundamental: a própria identificação de sistemas com pouca ou nenhuma matéria escura contribui para evidenciar, por contraste, a presença dessa componente nas galáxias em que sua influência gravitacional se manifesta de forma dominante.