Cruz de Einstein no espaço revela onde se esconde a matéria escura.

Uma disposição fortuita de objectos espalhados pelo espaço profundo acabou de denunciar o esconderijo de uma enorme concentração de matéria escura.

Estas configurações, conhecidas como cruzes de Einstein, apresentam normalmente quatro pontos de luz bem separados. Neste caso específico - baptizado HerS-3 - surgiu algo nunca observado: no coração da cruz vê-se um quinto brilho, uma mancha luminosa adicional.

“Isto não devia acontecer”, afirma o astrofísico teórico Charles Keeton, da Universidade Rutgers–New Brunswick (EUA). “Não se consegue obter uma quinta imagem no centro a menos que haja algo invulgar na massa que está a curvar a luz.”

Cruz de Einstein e lenteamento de Einstein: como nasce um fenómeno raro

Por si só, uma cruz de Einstein já é um acontecimento cósmico pouco comum. Ela resulta do lenteamento de Einstein: a luz atravessa um espaço-tempo deformado por um campo gravitacional muito intenso. Quando a luz de um objecto distante - por exemplo, uma galáxia - atravessa essa região curvada, pode ser dividida em quatro imagens do mesmo objecto, dispostas como os braços de uma cruz.

Como a luz é desviada em torno da massa central, não é suposto vermos uma imagem adicional do objecto de fundo exactamente no centro. Quando existe um ponto luminoso no meio, na maioria das vezes trata-se de algo em primeiro plano, não da mesma fonte distante.

HerS-3 e o halo de matéria escura: a cruz de Einstein com uma quinta imagem central

HerS-3 é uma galáxia poeirenta e intensamente formadora de estrelas, situada perto do limite do Universo observável. A luz que nos chega dessa galáxia viajou durante 11,7 mil milhões de anos.

Mesmo numa primeira inspecção, o sistema parecia fora do comum. Quando uma equipa liderada pelo astrónomo Pierre Cox, do Centro Nacional de Investigação Científica (CNRS), o observou com mais detalhe, confirmou-se a suspeita: o ponto central emitia luz proveniente da mesma distância que os quatro pontos circundantes.

“Ficámos a pensar: ‘Mas que raio é isto?’”, conta Cox. “Tinha o aspecto de uma cruz e, ao mesmo tempo, havia uma imagem no centro. Eu sabia que nunca tinha visto nada assim.”

Para perceber a origem dessa imagem inesperada, os investigadores passaram por várias hipóteses plausíveis. Primeiro, consideraram a possibilidade de ser um artefacto instrumental - mas a assinatura revelou-se real. Depois, recorreram a modelos computacionais para testar se alguma das galáxias em primeiro plano poderia explicar o padrão de lenteamento observado; essa via acabou igualmente descartada.

No fim, restou uma explicação consistente: o agente responsável pela deformação do espaço-tempo teria de ser algo invisível à observação directa - matéria escura.

“Experimentámos todas as configurações razoáveis usando apenas as galáxias visíveis, e nenhuma resultou”, diz Keeton. “A única forma de pôr a matemática e a física de acordo foi introduzir um halo de matéria escura. É aqui que a modelação mostra a sua força: ajuda a revelar aquilo que não se vê.”

Porque é que um quinto ponto de luz é tão revelador?

Num cenário típico de lente gravitacional, a geometria da deflexão e a distribuição de massa tendem a suprimir a imagem central do objecto de fundo. Por isso, quando essa imagem aparece, ela funciona como um indicador sensível de que a massa responsável pela lente está distribuída de forma particular - por exemplo, com uma componente adicional e difusa, capaz de alterar o potencial gravitacional no centro.

Neste caso, a quinta imagem não é apenas uma curiosidade: é uma pista directa de que a massa total não pode ser explicada apenas pelo que se observa em luz visível.

Matéria escura: o indício escondido na gravidade

A matéria escura é um dos grandes enigmas do Universo - uma forma de matéria que, ao que tudo indica, interage com o resto do cosmos sobretudo através da gravidade. A sua existência é inferida porque a gravidade observada em escalas galácticas e cosmológicas excede largamente o que a matéria “normal” conseguiria produzir. O lenteamento de Einstein em HerS-3 é um exemplo elucidativo desse desfasamento.

A modelação da equipa sugere que um grupo de galáxias mais próximo - cuja luz viajou cerca de 8 mil milhões de anos - actua em conjunto com uma enorme concentração de matéria escura, isto é, um halo de matéria escura, originando o anel de Einstein observado e a rara quinta imagem central.

Um laboratório astrofísico improvável

A descoberta é notável por várias razões. A concentração casual de matéria escura situada entre nós e HerS-3 amplifica a galáxia distante, oferecendo uma visão muito mais detalhada de um objecto em fase activa de formação estelar numa época inicial do Universo - um período em que, normalmente, estas galáxias são demasiado ténues para serem resolvidas com clareza. Ao mesmo tempo, o sistema fornece uma forma de estudar o grupo de galáxias mais próximo e, de forma crítica, caracterizar o próprio halo de matéria escura que participa no lenteamento.

No artigo científico, os autores descrevem o sistema HerS-3 - com a sua cruz de Einstein excepcional e a quinta imagem central - como um laboratório astrofísico singular para explorar, em pequenas escalas espaciais, uma galáxia poeirenta em surto de formação estelar observada quase de perfil, num período de máxima actividade cósmica, e para analisar as características do grupo de galáxias que faz a lente de HerS-3, bem como as propriedades do halo maciço de matéria escura associado.

A investigação foi publicada no Jornal Astrofísico.