Como o lençol plano de matéria escura explica Andrômeda vindo na direção da Via Láctea

A maior parte das galáxias grandes nas proximidades da Via Láctea se afasta de nós acompanhando a expansão do universo - mas Andrômeda foge à regra e vem diretamente na nossa direção. Uma pesquisa recente indica que a nossa região do cosmos tem uma forma surpreendentemente achatada, e que essa geometria em grande escala ajuda a entender por que Andrômeda é a exceção.

Uma exceção estranha em um universo em afastamento

Há cerca de um século, astrónomos sabem que o próprio espaço está em expansão. À medida que ele se estica, galáxias distantes parecem recuar, um padrão resumido pela lei de Hubble: quanto mais longe a galáxia, maior a velocidade aparente com que ela se afasta.

Andrômeda, porém, não “entra no ritmo”. A aproximadamente 2,5 milhões de anos-luz de distância, a galáxia grande mais próxima da nossa está vindo em direção à Via Láctea a cerca de 110 km/s. Mantida essa dinâmica, as duas espirais devem colidir e, ao longo de vários bilhões de anos, acabar se fundindo.

O curioso é que, no nosso entorno, a maioria das outras galáxias massivas não está caindo na nossa direção. Elas aceleram para longe e, em alguns casos, o fazem um pouco mais rápido do que a expansão do espaço, sozinha, sugeriria.

"A Via Láctea e Andrômeda estão presas a um abraço gravitacional, enquanto quase todas as outras grandes galáxias próximas são puxadas para fora."

Essa discrepância incomoda cosmólogos há décadas. Se o Grupo Local de galáxias tem a massa que as medições indicam, a gravidade dele deveria desacelerar as galáxias vizinhas mais do que efetivamente observamos. Algo além do nosso aglomerado familiar precisaria estar alterando o escoamento da matéria.

O papel oculto da matéria escura

O novo estudo, publicado na revista Nature Astronomy, atribui o efeito à matéria escura - a substância invisível que, no universo, supera a matéria comum por aproximadamente cinco para um e interage sobretudo por meio da gravidade.

Já em 1959, os astrónomos Franz Kahn e Lodewijk Woltjer defendiam que deveria existir massa extra não observada ao redor da Via Láctea e de Andrômeda para que elas estivessem em rota de colisão. Hoje, esse “déficit” é entendido como matéria escura, distribuída em halos gigantes ao redor de cada galáxia.

Esses halos explicam por que Andrômeda se aproxima, mas não resolvem, por si só, por que outras galáxias próximas parecem ignorar a atração do Grupo Local. O novo trabalho indica que a chave não é apenas quanta matéria escura existe, e sim como ela se organiza em escalas de dezenas de milhões de anos-luz.

"A equipa conclui que a massa ao redor do Grupo Local não é aproximadamente esférica, mas comprimida em uma folha gigantesca e fina que se estende por enormes distâncias no espaço."

Uma folha achatada ao redor do nosso bairro galáctico

Para enfrentar o problema, os pesquisadores criaram simulações detalhadas do “universo local” - uma região que se estende por cerca de 32 milhões de anos-luz a partir da Via Láctea.

Eles partiram das variações de massa registradas na radiação cósmica de fundo em micro-ondas, o brilho remanescente de quando o universo tinha apenas 380 mil anos. Com esse mapa inicial de pequenas ondulações de densidade, avançaram o relógio cósmico e deixaram a gravidade operar.

As simulações precisavam reproduzir características essenciais que observamos hoje:

• as massas da Via Láctea e de Andrômeda
• as posições e velocidades atuais de ambas
• as localizações e os movimentos de 31 galáxias logo fora do Grupo Local

Os movimentos das galáxias simuladas só passaram a bater com a realidade quando a massa fora do Grupo Local assumiu a forma de uma grande folha achatada.

Essa folha reúne matéria escura e matéria comum, mas é a matéria escura que domina. Ela se estende por dezenas de milhões de anos-luz e aparenta continuar além do volume que a equipa simulou. A Via Láctea, Andrômeda e os nossos vizinhos menores ficam próximos do centro dessa estrutura.

Por que a maioria das galáxias foge mais rápido do que o esperado

As galáxias imediatamente fora do Grupo Local estão inseridas nessa folha imensa de matéria escura. Isso faz com que elas sintam duas “forças” gravitacionais concorrentes:

Atração gravitacional	Efeito principal sobre galáxias próximas
Do Grupo Local (Via Láctea + Andrômeda)	Puxa para dentro, em direção a nós
Da folha massiva de matéria escura	Puxa para fora, ao longo da folha, afastando-as

Como existe muita massa na folha - um pouco além do Grupo Local - o puxão para fora quase compensa o puxão para dentro exercido pela Via Láctea e por Andrômeda.

"A distribuição achatada de massa funciona como um contrapeso cósmico, permitindo que a maioria das galáxias próximas continue a se afastar, mesmo diante da nossa gravidade combinada."

Com isso, galáxias a até cerca de 8 milhões de anos-luz se afastam mais lentamente do que uma leitura simples da lei de Hubble sugeriria, enquanto as que estão além dessa distância recuam um pouco mais depressa do que o previsto. As novas simulações reproduzem naturalmente essa mudança de comportamento.

Vazios cósmicos esculpem a nossa zona “segura”

A folha de matéria é apenas parte da explicação. Ao redor dela existem regiões grandes e quase vazias, chamadas de vazios. São áreas em que o universo primitivo tinha densidade ligeiramente menor do que a média e, por isso, expandiram mais rápido, ficando cada vez mais rarefeitas ao longo de bilhões de anos.

O Grupo Local se encontra entre vazios desse tipo. Com o passar do tempo cósmico, a expansão mais rápida dessas regiões empurrou matéria para fora de seus interiores de baixa densidade, acumulando-a nas “paredes” mais densas entre elas - e uma dessas paredes é justamente a folha apontada nas simulações.

O ponto crucial é que as regiões acima e abaixo dessa folha, em direções perpendiculares a ela, estão quase totalmente desprovidas de galáxias. Se existissem galáxias ali, elas sentiriam pouca atração da folha de matéria escura e provavelmente cairiam em direção ao Grupo Local.

"O motivo de Andrômeda ser a única galáxia ‘pesada’ correndo na nossa direção é simples: não há outras grandes galáxias posicionadas no lugar certo para fazer o mesmo."

Em outras palavras, a geometria de vazios e paredes ao nosso redor criou uma espécie de corredor protegido, no qual apenas Andrômeda compartilha uma atração mútua forte com a Via Láctea.

Construindo um universo que bate com os dados

O estudo também funciona como um teste do modelo cosmológico padrão, frequentemente chamado de “lambda matéria escura fria” (ΛCDM). Esse quadro combina matéria escura fria (isto é, de movimento lento) com energia escura, o componente misterioso associado à aceleração cósmica.

Ao ajustar as simulações para refletir o universo primordial e, em seguida, confrontar o resultado com as posições e velocidades atuais das galáxias, os pesquisadores verificaram se o ΛCDM consegue produzir um ambiente local semelhante ao nosso.

O fato de as simulações que melhor se encaixam tanto reproduzirem as observações quanto manterem intacto o modelo cosmológico padrão é um sinal encorajador. A equipa consegue variar detalhes, como as condições iniciais, e ainda assim gerar um Grupo Local e vazios ao redor amplamente parecidos com os que vemos no céu.

O que acontece com a Via Láctea a seguir?

Para quem, na Terra, tivesse uma paciência de bilhões de anos, Andrômeda continua sendo a protagonista do “espetáculo” futuro. A fusão deve começar em cerca de 4 a 5 bilhões de anos. Com o tempo, o céu noturno acabaria tomado por correntes de estrelas, conforme as duas espirais se enroscam e se misturam.

Como as estrelas em cada galáxia ficam muito afastadas entre si, colisões diretas entre estrelas individuais devem ser raras. O que tende a ocorrer é uma reorganização gradual das órbitas, enquanto nuvens gigantes de gás colidem, acionando novas ondas de formação estelar.

O Sol provavelmente atravessará o evento, embora, nessa altura, esteja mais velho, mais brilhante e a caminho de se tornar uma gigante vermelha. Possíveis descendentes distantes da humanidade poderiam ver o firmamento se transformar à medida que as duas galáxias se unem em um único sistema elíptico maior.

Conceitos-chave que valem destrinchar

O que os astrónomos chamam de “matéria escura”

Matéria escura não é simplesmente matéria comum difícil de observar. Ela não emite nem absorve luz e não corresponde a nenhuma partícula conhecida no Modelo Padrão da física de partículas.

A sua existência é inferida a partir do efeito gravitacional:

• as galáxias giram rápido demais nas regiões externas para que apenas a matéria visível as mantenha coesas
• a luz de galáxias distantes é desviada mais do que a massa observável permitiria
• estruturas em grande escala, como folhas, filamentos e aglomerados, precisam de massa extra para se formar no tempo observado

Neste caso, uma vasta “folha” plana de matéria escura - rastreada indiretamente pelos movimentos das galáxias - parece influenciar o destino da própria Via Láctea.

O que é o fluxo de Hubble?

O fluxo de Hubble é o movimento geral das galáxias conforme o espaço se expande. Não se trata de galáxias atravessando um vazio estático, e sim do tecido do espaço entre elas se alongando.

Em pequenas escalas, a gravidade local pode se impor a esse fluxo. A Via Láctea, Andrômeda e seus companheiros menores estão gravitacionalmente ligados e se movem ao redor de um centro de massa comum. Mais longe, onde dominam o puxão da folha de matéria escura e a expansão cósmica, as galáxias em geral seguem o fluxo de Hubble com pequenas diferenças.

O que observações futuras podem revelar

O estudo sugere que galáxias situadas bem acima ou abaixo da folha de matéria escura deveriam estar caindo em direção a ela a centenas de km/s. Esses sistemas “em queda” oferecem uma forma de testar o modelo.

À medida que novos levantamentos mapearem posições e velocidades de um número cada vez maior de galáxias - especialmente em regiões relativamente próximas do universo - será possível checar o quanto a folha prevista, os vazios e as estruturas em aproximação correspondem ao que realmente existe.

As simulações computacionais também tendem a ficar mais detalhadas. Ao variar suposições sobre a matéria escura - por exemplo, se ela se comporta exatamente como “fria” e sem colisões, ou se possui interações sutis - os pesquisadores podem avaliar o quão sensível é a nossa estrutura local à física subjacente.

Por ora, a imagem que se delineia é inesperadamente elegante: a Via Láctea não está no centro de tudo, mas ocupa uma região de arquitetura cósmica finamente equilibrada. A maioria das galáxias grandes é conduzida para longe por uma folha vasta e oculta de matéria escura, restando apenas uma vizinha massiva - Andrômeda - em uma rota de colisão lenta conosco.