2879: As super-espirais giram super-depressa

CIÊNCIA

A linha superior deste mosaico apresenta imagens do Hubble de três galáxias espirais, cada um com várias vezes a massa da Via Láctea. A linha inferior mostra três galáxia espirais ainda mais massivas que se qualificam como “super-espirais”, que foram observadas pelo SDSS. As super-espirais têm normalmente 10 a 20 vezes a massa da Via Láctea. A galáxia no canto inferior direito, 2MFGC 08638, é a super-espiral mais massiva conhecida, com um halo de matéria escura equivalente a 40 biliões de sóis.
Crédito: linha superior – NASA, ESA, P. Ogle e J. DePasquale (STScI); linha inferior – SDSSS, P. Ogle e J. DePasquale (STScI)

Provavelmente nunca notou, mas o nosso Sistema Solar está a mover-se rapidamente. As estrelas na nossa vizinhança, incluindo o Sol, orbitam a Via Láctea a uma velocidade média de 210 km/s. Mas isto não é nada em comparação com as galáxias espirais mais massivas. As “super-espirais”, que são maiores, mais brilhantes e mais massivas do que a Via Láctea, giram ainda mais depressa do que o esperado para a sua massa, a velocidades de até 570 km/s.

A sua rápida rotação é o resultado de estarem dentro de uma nuvem extraordinariamente massiva, ou halo, de matéria escura – matéria invisível detectável apenas graças à sua gravidade. A maior “super-espiral” estudada aqui reside num halo de matéria escura com pelo menos 40 biliões de vezes a massa do nosso Sol. A existência de super-espirais fornece mais evidências de que uma teoria alternativa da gravidade conhecida como MOND (Modified Newtonian Dynamics) está incorrecta.

Quando se trata de galáxias, quão rápido é rápido? A Via Láctea, uma galáxia espiral média, gira a uma velocidade de 210 km/s na vizinhança do nosso Sol. Uma nova investigação descobriu que as galáxias espirais mais massivas giram mais depressa do que o esperado. Estas “super-espirais”, a maior das quais tem cerca de 20 vezes mais massa do que a Via Láctea, gira a uma velocidade de até 570 km/s.

As super-espirais são excepcionais em quase todos os aspectos. Além de serem muito mais massivas do que a Via Láctea, são também mais brilhantes e maiores em tamanho físico. As maiores atingem 450.000 anos-luz em comparação com a Via Láctea, que tem “apenas” 100.000 anos-luz em diâmetro. Só conhecemos, até ao momento, cerca de 100 super-espirais. As super-espirais foram descobertas como uma nova classe importante de galáxias enquanto se estudavam dados do SDSS (Sloan Digital Sky Survey) bem como do NED (NASA/IPAC Extragalactic Database).

“As super-espirais são, em muitos aspectos, extremas,” disse Patrick Ogle do STScI (Space Telescope Science Institute) em Baltimore, no estado norte-americano de Maryland. “Quebram os recordes de velocidade de rotação.”

Ogle é o primeiro autor de um artigo publicado dia 10 de Outubro na revista The Astrophycial Journal Letters. O artigo apresenta novos dados sobre as velocidades de rotação de super-espirais recolhidos com o SALT (Southern African Large Telescope), o maior telescópio óptico do hemisfério sul. Os dados adicionais foram obtidos com o telescópio Hale de 5 metros do Observatório Palomar, operado pelo Instituto de Tecnologia da Califórnia. Os dados da missão WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) da NASA foram cruciais para medir as massas das galáxias em estrelas e os seus ritmos de formação estelar.

Referindo-se ao novo estudo, Tom Jarrett da Universidade da Cidade do Cabo, na África do Sul, comentou: “Este trabalho ilustra muito bem a poderosa sinergia entre as observações ópticas e infravermelhas de galáxias, revelando movimentos estelares com espectroscopia do SDSS e do SALT e outras propriedades estelares – mais concretamente a massa estelar ou “espinha dorsal” das galáxias hospedeiras – através das imagens infravermelhas do WISE”.

A teoria sugere que as super-espirais giram depressa porque estão localizadas dentro de nuvens incrivelmente grandes, ou halos, de matéria escura. Há décadas que sabemos que a matéria escura está relacionada com a rotação das galáxias. A astrónoma Vera Rubin foi pioneira no trabalho sobre as rotações galácticas, mostrando que as galáxias espirais giram mais depressa do que se a sua gravidade fosse exclusivamente devida às estrelas e ao gás constituintes. Uma substância invisível adicional, conhecida como matéria escura, deverá influenciar a rotação de uma galáxia. Espera-se que uma galáxia espiral com uma determinada massa estelar gire a uma determinada velocidade. A equipa de Ogle descobriu que as super-espirais excedem significativamente esta rotação esperada.

As super-espirais também residem em halos de matéria escura maiores do que a média. O halo mais massivo que Ogle mediu contém matéria escura equivalente a 40 biliões de vezes a massa do nosso Sol. Essa quantidade de matéria escura normalmente continha um grupo de galáxias em vez de uma única galáxia.

“Parece que a rotação de uma galáxia é definida pela massa do seu halo de matéria escura,” explicou Ogle.

O facto das super-espirais quebrarem a relação normal entre massa da galáxia em estrelas e a taxa de rotação é uma nova evidência contra uma teoria alternativa da gravidade conhecida como MOND (Modified Newtonian Dynamics). A teoria MOND propõe que às maiores escalas, como galáxias ou enxames de galáxias, a gravidade é ligeiramente mais forte do que previsto por Newton ou Einstein. Isto faria com que as regiões externas de uma galáxia espiral, por exemplo, girassem mais depressa do que o esperado com base no seu conteúdo estelar. A MOND foi estabelecida para reproduzir a relação padrão da rotação das espirais e, portanto, não pode explicar valores extremos como os das super-espirais. As observações das super-espirais sugerem que não é necessária nenhuma dinâmica não newtoniana.

Apesar de serem as galáxias espirais mais massivas do Universo, as super-espirais na verdade estão abaixo da massa, termos de conteúdo estelar, do que seria de esperar para a quantidade de matéria escura que contêm. Isto sugere que a grande quantidade de matéria escura inibe a formação estelar. Existem duas causas possíveis: 1) Qualquer gás adicional que é puxado para dentro da galáxia colide e aquece, impedindo que arrefeça e forme estrelas, ou 2) A rápida rotação da galáxia dificulta o colapso das nuvens de gás contra a influência da força centrífuga.

“Esta é a primeira vez que encontrámos galáxias espirais tão grandes quanto possível,” comentou Ogle.

Apesar destas influências perturbadoras, as super-espirais ainda são capazes de formar estrelas. Embora as maiores galáxias elípticas tenham formado todas ou a maior parte das suas estrelas há mais de 10 mil milhões de anos, as super-espirais ainda estão a formar estrelas hoje. Elas convertem cerca de 30 vezes a massa do Sol em estrelas todos os anos, o que é normal para uma galáxia deste tamanho. Em comparação, a nossa Via Láctea transforma o equivalente a uma massa solar em estrelas por ano.

Ogle e a sua equipa propuseram observações adicionais para ajudar a responder perguntas importantes sobre as super-espirais, incluindo observações projectadas para estudar melhor o movimento do gás e das estrelas dentro dos seus discos. Depois do seu lançamento em 2021, o Telescópio Espacial James Webb da NASA poderá estudar super-espirais a distâncias maiores e idades correspondentemente mais jovens para aprender como evoluem ao longo do tempo. E a missão WFIRST da NASA pode ajudar a localizar mais super-espirais, que são extremamente raras, graças ao seu amplo campo de visão.

Astronomia On-line
22 de Outubro de 2019