Todas as grandes galáxias afastam-se da Via Láctea - exceto uma - e finalmente sabemos porquê

Uma estranha exceção num universo em afastamento

À nossa volta, o Universo está a esticar-se - e isso faz com que a maioria das grandes galáxias pareça afastar-se de nós. Mas há uma vizinha de peso que não segue a regra: a Galáxia de Andrómeda está a vir na nossa direção. Um novo estudo sugere que a região do cosmos onde vivemos tem uma forma surpreendentemente “achatada”, e que essa geometria ajuda a explicar porque é que Andrómeda é a exceção.

A ideia não muda o essencial do que sabemos sobre a expansão cósmica; o que muda é a forma como a matéria (sobretudo a invisível) está distribuída no nosso bairro galáctico. Esse desenho - uma espécie de folha gigante - altera os puxões gravitacionais à nossa volta e deixa Andrómeda como a única grande galáxia próxima num rumo de colisão com a Via Láctea.

Há um século, os astrónomos sabem que o próprio espaço está em expansão. À medida que se estica, as galáxias distantes parecem recuar, num padrão descrito pela lei de Hubble: quanto mais longe está uma galáxia, mais depressa parece afastar-se.

Andrómeda recusa-se a alinhar. A apenas 2,5 milhões de anos-luz de distância, a nossa vizinha galáctica mais próxima entre as grandes está a aproximar-se da Via Láctea a cerca de 110 quilómetros por segundo. A este ritmo, espera-se que as duas espirais colidam e acabem por se fundir dentro de vários milhares de milhões de anos.

Ainda assim, quase todas as outras galáxias “pesadas” nas redondezas não estão a cair connosco. Pelo contrário: aceleram para longe e, em alguns casos, parecem fazê-lo um pouco mais depressa do que a expansão do espaço, por si só, faria prever.

A Via Láctea e Andrómeda estão presas num abraço gravitacional, enquanto quase todas as outras grandes galáxias próximas são puxadas para fora.

Esta discrepância tem incomodado cosmólogos há décadas. Se o nosso Grupo Local de galáxias é tão massivo como as medições indicam, a sua gravidade deveria travar as galáxias próximas mais do que aquilo que realmente observamos. Algo para lá do nosso aglomerado familiar tinha de estar a reconfigurar o escoamento da matéria.

O papel escondido da matéria escura

O novo estudo, publicado na Nature Astronomy, aponta o dedo à matéria escura - a substância invisível que supera a matéria normal no Universo numa proporção de cerca de cinco para um e que interage sobretudo através da gravidade.

Já em 1959, os astrónomos Franz Kahn e Lodewijk Woltjer defendiam que teria de existir massa extra, não observada, em torno da Via Láctea e de Andrómeda para que ambas estivessem numa trajetória de colisão. Essa massa em falta é hoje entendida como matéria escura, organizada em enormes halos à volta de cada galáxia.

Esses halos explicam porque Andrómeda se move na nossa direção, mas não chegam para esclarecer por que razão outras galáxias próximas parecem ignorar o puxão do Grupo Local. O novo trabalho mostra que a resposta não está apenas em quanta matéria escura existe, mas também na forma como ela se distribui em escalas de dezenas de milhões de anos-luz.

A equipa conclui que a massa em torno do Grupo Local não é aproximadamente esférica, mas sim comprimida numa folha gigante e fina que se estende pelo espaço.

Uma folha plana a rodear o nosso bairro galáctico

Para resolver o enigma, os investigadores construíram simulações detalhadas do “universo local” - uma região que se estende por cerca de 32 milhões de anos-luz a partir da Via Láctea.

Começaram pelas variações de massa registadas no fundo cósmico de micro-ondas, o ténue brilho remanescente de quando o Universo tinha apenas 380 000 anos. A partir desse mapa inicial de pequenas ondulações de densidade, fizeram o tempo avançar, deixando a gravidade fazer o resto.

Exigiram que o universo simulado reproduzisse características-chave que vemos hoje:

• as massas da Via Láctea e de Andrómeda
  
• as suas posições e velocidades atuais
  
• as localizações e movimentos de 31 galáxias imediatamente fora do Grupo Local
  

Só quando a massa fora do Grupo Local foi moldada numa grande folha achatada é que os movimentos das galáxias simuladas passaram a coincidir com a realidade.

Esta folha contém matéria escura e matéria comum, mas é a matéria escura que domina. Estende-se por dezenas de milhões de anos-luz e parece continuar para lá da região que a equipa simulou. A Via Láctea, Andrómeda e os nossos vizinhos mais pequenos ficam perto do centro desta estrutura.

Porque a maioria das galáxias foge mais depressa do que o esperado

As galáxias logo fora do Grupo Local estão embebidas nesta vasta folha de matéria escura. Isso significa que sentem dois puxões gravitacionais em competição:

Gravitational pull	Main effect on nearby galaxies
From the Local Group (Milky Way + Andromeda)	Pulls them inward, towards us
From the massive dark matter sheet	Pulls them outward, along the sheet, away from us

Como tanta massa está concentrada na folha, ligeiramente para lá do nosso Grupo Local, o seu puxão para fora quase anula o puxão para dentro exercido pela Via Láctea e por Andrómeda.

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

O resultado é que galáxias dentro de cerca de 8 milhões de anos-luz afastam-se mais lentamente do que uma leitura simples da lei de Hubble sugeriria, enquanto as que estão para além dessa distância recuam um pouco mais depressa do que o esperado. As novas simulações reproduzem naturalmente esta mudança de comportamento.

Vazios cósmicos esculpem a nossa zona segura

A folha de matéria é apenas metade da história. À sua volta existem grandes regiões quase vazias, conhecidas como vazios. São locais onde o Universo primordial tinha uma densidade ligeiramente abaixo da média, pelo que se expandiram mais depressa, ficando cada vez mais rarefeitos ao longo de milhares de milhões de anos.

O nosso Grupo Local fica entre esses vazios. Com o tempo cósmico, a expansão mais rápida empurrou matéria do interior de baixa densidade para as “paredes” mais densas entre eles - sendo uma dessas paredes a folha identificada nas simulações.

De forma crucial, as regiões acima e abaixo desta folha, em direções perpendiculares a ela, estão quase completamente desprovidas de galáxias. Se existissem galáxias nessas zonas, sentiriam pouco puxão da folha de matéria escura e provavelmente cairiam em direção ao Grupo Local.

A razão de Andrómeda ser a única grande galáxia a vir na nossa direção é simples: não há outras grandes galáxias posicionadas no sítio certo para o fazer.

Dito de outra forma, a geometria de vazios e paredes à nossa volta criou uma espécie de corredor seguro, onde apenas Andrómeda partilha uma forte atração mútua com a Via Láctea.

Construir um universo que bate certo com os dados

Este trabalho funciona também como um teste ao modelo cosmológico padrão, muitas vezes chamado “lambda matéria escura fria”. Esse modelo combina matéria escura fria (de movimento lento) com energia escura, o motor misterioso por trás da aceleração cósmica.

Ao afinar as simulações para coincidirem com o Universo inicial e, depois, comparar o resultado com as posições e velocidades atuais das galáxias, os investigadores avaliaram se o modelo lambda matéria escura fria consegue produzir um ambiente local como o nosso.

O facto de as simulações com melhor ajuste coincidirem com as observações e, ao mesmo tempo, manterem intacto o modelo padrão é um sinal tranquilizador. A equipa consegue variar pormenores como as condições iniciais e ainda assim gerar um Grupo Local e vazios circundantes amplamente semelhantes aos que vemos no céu.

O que acontece a seguir com a Via Láctea?

Para quem esteja na Terra com uma capacidade de espera quase infinita, Andrómeda continua a ser a estrela do próximo grande capítulo. As galáxias deverão começar a fundir-se daqui a cerca de 4 a 5 mil milhões de anos. O céu noturno acabaria por encher-se de correntes de estrelas à medida que as duas espirais se enredam e se misturam.

As estrelas dentro de cada galáxia estão tão afastadas entre si que colisões diretas entre estrelas individuais serão raras. Em vez disso, as órbitas reorganizam-se lentamente e enormes nuvens de gás chocam, desencadeando novas vagas de formação estelar.

O Sol provavelmente sobreviverá ao evento, embora nessa altura esteja mais velho, mais brilhante e a caminho de se tornar uma gigante vermelha. Quaisquer descendentes distantes da humanidade poderiam ver o céu transformado à medida que ambas as galáxias se fundem num único sistema elíptico maior.

Conceitos-chave que valem a pena destrinçar

O que os astrónomos querem dizer com “matéria escura”

A matéria escura não é simplesmente matéria normal difícil de ver. Não emite nem absorve luz e não corresponde a nenhuma partícula conhecida no Modelo Padrão da física de partículas.

Os astrónomos inferem a sua presença através da gravidade:

• as galáxias rodam depressa demais nas regiões externas para que a matéria visível, sozinha, as mantenha coesas
  
• a luz de galáxias distantes é desviada mais fortemente do que a massa visível permitiria
  
• estruturas em grande escala como folhas, filamentos e enxames precisam de massa extra para se formarem a tempo
  

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 à medida que o espaço se expande. Não são galáxias a voar através de um vazio estático; é o tecido do espaço entre elas que se estica.

A gravidade local pode sobrepor-se a este fluxo em pequenas escalas. A Via Láctea, Andrómeda e os seus pequenos companheiros estão gravitacionalmente ligados e movem-se em torno de um centro de massa comum. Mais longe, onde o puxão da folha de matéria escura e a expansão cósmica dominam, as galáxias seguem maioritariamente o fluxo de Hubble com pequenas variações.

O que futuras observações podem revelar

O estudo sugere que galáxias situadas mais acima ou abaixo da folha de matéria escura deveriam estar a cair na sua direção a centenas de quilómetros por segundo. Estes sistemas “em queda” oferecem uma forma de testar o modelo.

À medida que novos levantamentos mapearem as posições e velocidades de cada vez mais galáxias, sobretudo em regiões relativamente próximas do Universo, os astrónomos poderão verificar quão bem a folha prevista, os vazios e as estruturas em aproximação coincidem com a realidade.

As simulações computacionais também vão tornar-se mais detalhadas. Ao variar pressupostos sobre a matéria escura - por exemplo, se se comporta exatamente como “fria” e sem colisões, ou se tem interações subtis - os investigadores podem perceber quão sensível é a nossa estrutura local à física subjacente.

Por agora, a imagem que emerge é inesperadamente elegante: a Via Láctea não está no centro de tudo, mas encontra-se numa região finamente equilibrada da arquitetura cósmica. A maioria das grandes galáxias está a ser conduzida para longe por uma vasta folha escondida de matéria escura, deixando apenas uma vizinha massiva, Andrómeda, num lento rumo de colisão connosco.