💫 Teorias de gravidade modificada: as galáxias anãs falam

As galáxias anãs mais discretas do nosso Universo revelam uma anomalia gravitacional que intriga os astrónomos há décadas. Enquanto as grandes galáxias espirais parecem seguir regras bem estabelecidas, as mais pequenas contradizem as nossas expectativas ao girar mais rápido do que o previsto, sugerindo a presença de um componente invisível que escapa aos nossos telescópios.

Uma equipa internacional liderada pelo Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam realizou um estudo aprofundado sobre doze das galáxias mais pequenas e mais fracas já observadas. Ao analisar a velocidade das estrelas a diferentes distâncias do centro galáctico, os investigadores conseguiram mapear com uma precisão sem precedentes o campo gravitacional interno destes sistemas. Os dados recolhidos mostram claramente que a matéria visível não é suficiente para explicar a intensidade das forças em jogo, colocando em causa algumas teorias alternativas.


A teoria MOND (Modified Newtonian Dynamics), proposta nos anos 1980 como alternativa à matéria escura, prevê que as leis da gravidade mudam a acelerações muito baixas. No entanto, as simulações realizadas no supercomputador nacional britânico DiRAC demonstram que esta abordagem não consegue reproduzir o comportamento observado nas galáxias anãs. Em contrapartida, os modelos que incorporam um halo massivo de matéria escura em torno destas galáxias correspondem muito melhor aos dados experimentais.

Mariana Júlio, doutoranda no Instituto Leibniz e autora principal do estudo, salienta que pela primeira vez, os cientistas conseguiram resolver a aceleração gravitacional das estrelas nas galáxias mais fracas a diferentes raios. Esta análise detalhada das dinâmicas internas confirma que o campo gravitacional não pode ser determinado apenas pela matéria visível, contradizendo assim as previsões das teorias de gravidade modificada. Estes resultados reforçam consideravelmente a necessidade de invocar a matéria escura.

A pesquisa, aceite para publicação na Astronomy & Astrophysics e disponível no servidor de pré-publicação arXiv, também coloca em causa a relação de aceleração radial, uma hipótese antiga segundo a qual existiria uma ligação simples entre a quantidade de matéria visível e a força gravitacional produzida. Embora esta relação permaneça válida para sistemas maiores, começa a invalidar-se nas galáxias mais pequenas, onde a mesma quantidade de matéria visível pode produzir acelerações gravitacionais diferentes.

O professor Justin Read da Universidade de Surrey explica que as novas técnicas de modelação permitem agora mapear o campo gravitacional a escalas mais pequenas do que nunca. Estes avanços oferecem novas perspetivas sobre esta substância estranha e invisível que constitui a maior parte da massa do Universo. Embora estas descobertas não revelem a natureza fundamental da matéria escura, reduzem consideravelmente o espaço disponível para as explicações alternativas.

A matéria escura: o enigma cósmico invisível

A matéria escura representa um dos maiores enigmas da cosmologia moderna. Os cientistas estimam que constitui cerca de 85% da matéria total do Universo, mas não interage com a luz, o que a torna impossível de observar diretamente com telescópios tradicionais.

A sua presença é deduzida indiretamente pelos seus efeitos gravitacionais sobre a matéria visível. As galáxias giram tão rapidamente que sem esta massa adicional invisível, desintegrar-se-iam sob o efeito da força centrífuga. Da mesma forma, a curvatura da luz pelos aglomerados galácticos, fenómeno chamado lente gravitacional, revela a presença de massas bem superiores às que se podem detetar.

As pesquisas atuais concentram-se em vários candidatos potenciais, incluindo os WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), partículas hipotéticas que interagiriam muito fracamente com a matéria ordinária. Outras teorias exploram a possibilidade de axiões, partículas ultraleves, ou mesmo buracos negros primordiais formados pouco depois do Big Bang.

A deteção direta da matéria escura permanece um objetivo maior da física de partículas, com experiências subterrâneas como XENONnT em Itália ou LZ nos Estados Unidos que procuram captar as raras interações entre estas partículas misteriosas e a matéria ordinária.

A dinâmica galáctica e os seus mistérios

A dinâmica galáctica estuda o movimento das estrelas e do gás no interior das galáxias, revelando informações cruciais sobre a sua estrutura e evolução. As velocidades orbitais das estrelas em torno do centro galáctico seguem leis específicas que dependem da distribuição de massa total, incluindo tanto a matéria visível como a invisível.

Nos anos 1970, a astrónoma Vera Rubin observou que as estrelas nas regiões externas das galáxias espirais se moviam a velocidades constantes, independentemente da sua distância ao centro. Esta descoberta surpreendente contradizia as previsões da mecânica newtoniana baseada apenas na matéria visível, fornecendo a primeira prova sólida da existência de matéria escura.

As galáxias anãs, como as estudadas nesta pesquisa, apresentam características dinâmicas particulares. A sua baixa luminosidade e pequeno tamanho tornam-nas laboratórios ideais para testar as teorias gravitacionais nos limites extremos, onde os efeitos da matéria escura deveriam ser mais pronunciados.

As simulações numéricas modernas permitem modelar a evolução das galáxias ao longo de milhares de milhões de anos, incorporando tanto a matéria bariónica (ordinária) como a matéria escura. Estes modelos ajudam a compreender como os halos de matéria escura influenciam a formação e a evolução das estruturas cósmicas, desde as primeiras galáxias até aos aglomerados galácticos observáveis hoje.