A matéria escura, um componente misterioso que representa cerca de 27% do universo, tem sido um enigma persistente na astronomia moderna. Apesar de sua influência gravitacional indireta em galáxias e aglomerados de galáxias, a matéria escura permanece invisível aos métodos tradicionais de observação astronômica, pois não emite, reflete, refrata ou absorve luz. Esta característica torna sua detecção direta um desafio significativo para os cientistas.

Agora, em um novo estudo, uma equipe internacional de pesquisadores, incluindo astrofísicos da Universidade Northwestern, descobriu que as futuras imagens do Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA (com lançamento previsto para maio de 2027) podem conter pistas vitais para entender esse material elusivo.

Na busca pela matéria escura, alguns astrofísicos anteriormente se concentraram nas lacunas em correntes de estrelas — áreas onde as estruturas são tão tênues que é possível detectar perturbações criadas por aglomerados de matéria escura. No entanto, até agora, os astrônomos só examinaram essas lacunas na Via Láctea. Com o Telescópio Espacial Roman capturando imagens da galáxia de Andrômeda, os pesquisadores ampliarão significativamente sua amostra crescente de correntes estelares tênues, o que pode levar a mais informações sobre as propriedades concretas da matéria escura.

O estudo foi aceito para publicação pelo The Astrophysical Journal. Um pré-print está disponível online. Ele marca a primeira exploração das perspectivas de encontrar lacunas dentro de correntes de estrelas além da nossa própria galáxia da Via Láctea.

“Há correntes estelares em nossa própria galáxia, onde vemos lacunas que podem ser devido à matéria escura”, disse Tjitske Starkenburg, da Northwestern, coautora do estudo. “Mas essas lacunas também podem ser formadas por outros meios. Nosso novo estudo argumenta que seremos capazes de observar essas lacunas em galáxias próximas além da nossa. Isso nos dará melhores estatísticas sobre essas lacunas, o que, em última análise, nos ajudará a entender melhor a possível existência e propriedades dos aglomerados de matéria escura.”

Starkenburg é professora assistente de pesquisa no Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica (CIERA) da Northwestern. Christian Aganze, pós-doutorando na Universidade de Stanford, é o autor principal do estudo.

Supondo ser uma partícula, a matéria escura ainda não pode ser observada diretamente porque não emite, reflete, refrata ou absorve luz. Como ninguém pode vê-la, os pesquisadores têm que procurar outros indícios para determinar se ela realmente existe.

“Vemos o efeito da matéria escura nas galáxias”, disse Aganze. “Por exemplo, quando modelamos como as galáxias giram, precisamos de massa extra para explicar sua rotação. A matéria escura pode fornecer essa massa ausente.”

Os astrônomos estão particularmente esperançosos de que pistas possam estar escondidas dentro das correntes alongadas de estrelas que se estendem dos aglomerados globulares, grupos fortemente ligados de dezenas a milhões de estrelas. Os pesquisadores dizem que aglomerados de matéria escura podem atravessar correntes estelares para criar lacunas. Ao examinar essas lacunas, os astrônomos pretendem descobrir sinais de matéria escura.

“A razão pela qual essas correntes são mais interessantes para ver os efeitos desses aglomerados de matéria escura é dupla”, disse Starkenburg. “Primeiro, essas correntes ‘vivem’ nas regiões extremas externas de uma galáxia, onde, de outra forma, há muito pouca estrutura. E segundo, essas correntes são intrinsecamente muito finas porque se formaram a partir de aglomerados densos de estrelas, o que significa que você pode ver lacunas ou qualquer perturbação muito mais facilmente.”

Até o momento, os telescópios espaciais e terrestres existentes limitaram a busca a um pequeno número de correntes de aglomerados globulares dentro da Via Láctea. Mas o Telescópio Espacial Roman, que estará localizado a 1 milhão de milhas da Terra, permitirá aos astrônomos procurar correntes de aglomerados globulares em galáxias próximas pela primeira vez. O Instrumento de Campo Amplo do Roman possui 18 detectores que produzirão imagens 200 vezes maiores do que as produzidas pela câmera de infravermelho próximo do Telescópio Espacial Hubble — e com uma resolução um pouco maior.

No novo estudo, Starkenburg, Aganze e seus colaboradores simularam correntes de estrelas, permitiram que interagissem com aglomerados de matéria escura para criar lacunas e, em seguida, geraram observações simuladas dessas lacunas. Em última análise, a equipe concluiu que essas lacunas devem ser detectáveis nas imagens futuras do Telescópio Espacial Roman. Eles também estimam que o novo telescópio fornecerá esses dados de forma eficiente em apenas uma hora de tempo de observação.

Quando chegar a hora, os pesquisadores também planejam examinar o halo de matéria escura ao redor de Andrômeda. Embora halos de matéria escura circundem todas as galáxias, incluindo a Via Láctea, os pesquisadores suspeitam que podem encontrar evidências de sub-halos menores, que os modelos atuais preveem.

“Esperamos que sub-halos menores de matéria escura interajam com correntes de aglomerados globulares”, disse Starkenburg. “Se esses sub-halos estiverem presentes em outras galáxias, prevemos que veremos lacunas em correntes de aglomerados globulares que provavelmente são causadas por esses sub-halos. Isso nos dará novas informações sobre a matéria escura, incluindo quais tipos de halos de matéria escura estão presentes e quais são suas massas.”

Com financiamento do programa de Oportunidades de Participação em Pesquisa e Suporte do Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA, Starkenburg já está preparando o terreno para a investigação sobre a matéria escura por meio de um projeto relacionado.

“Essa equipe planeja modelar como os aglomerados globulares se formam em correntes estelares, desenvolvendo uma estrutura teórica muito mais detalhada”, disse ela. “Vamos prever a origem dos aglomerados globulares formadores de correntes e se essas correntes serão observáveis com o Roman.”

Em resumo, este estudo representará um marco na busca pela compreensão da matéria escura. Através da combinação de observações avançadas e modelagem teórica, os pesquisadores estão se aproximando de desvendar os mistérios da matéria escura, um dos fenômenos mais enigmáticos do universo.