Quando o astrofísico teórico da Rutgers, Charles Keeton, viu pela primeira vez uma imagem incomum compartilhada por seu colega, ficou intrigado.
“Você já viu um Cruz de Einstein com uma imagem no meio?” perguntou seu colega Andrew Baker, referindo-se a uma configuração cósmica raramente vista.
Keeton não havia visto. As implicações eram enormes.
“Eu pensei, bem, isso não deveria acontecer,” disse Keeton, Vice-Reitor de Aprendizado Experiencial da Rutgers University-New Brunswick. “Você não pode obter uma quinta imagem no centro, a menos que algo incomum esteja acontecendo com a massa que está dobrando a luz.”
Uma “Cruz de Einstein” é uma configuração cósmica raramente vista, na qual a luz de uma galáxia distante é dobrada pela gravidade de galáxias à frente, criando quatro imagens. Mas a imagem extra nesta Cruz de Einstein apontava para “algo incomum”, que se revelou ser um halo maciço e oculto de matéria escura. A existência dessa estrutura invisível só pôde ser inferida por meio de cuidadosos modelos e análises computacionais.
A descoberta, feita por uma equipe internacional que inclui Keeton, Baker e a estudante de graduação da Rutgers, Lana Eid, está sendo publicada na The Astrophysical Journal.
A matéria escura compõe a maior parte da matéria no universo, mas não pode ser vista diretamente. “Só sabemos que ela está lá por causa de como afeta as coisas que podemos ver, como o modo como dobra a luz de galáxias distantes,” disse Baker, professor distinto do Departamento de Física e Astronomia da Escola de Artes e Ciências e co-autor do estudo. “Essa descoberta nos dá uma rara oportunidade de estudar essa estrutura invisível em detalhe.”
O primeiro passo para essa descoberta foi dado na França.
“Nós pensamos: ‘O que é isso?'” disse Pierre Cox, um astrônomo francês, Diretor de Pesquisa do Centro Nacional de Pesquisa Científica da França e autor principal do estudo, que primeiro notou a anomalia nos dados do Array Norte Extendido de Milímetros (NOEMA) de telescópios de rádio nos Alpes Franceses.
“Parecia uma cruz, e havia essa imagem no centro,” disse Cox. “Eu sabia que nunca tinha visto aquilo antes.”
A equipe estava estudando uma galáxia distante e poeirenta chamada HerS-3. Usando o NOEMA e o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) no Chile, eles perceberam que a luz de HerS-3 se dividiu em cinco imagens, em vez de quatro. A princípio, pensaram que poderia ser um erro nos dados. Mas a quinta imagem não desaparecia.
“Tentamos eliminá-la,” disse Cox. “Pensamos que era um problema com o instrumento. Mas era real.”
Modelagens computacionais da lente gravitacional feitas por Keeton e Eid mostraram que as quatro galáxias visíveis à frente, que causavam a dobra gravitacional, não podiam explicar os detalhes do padrão de cinco imagens. Somente com a adição de uma grande massa invisível, neste caso, um halo de matéria escura, o modelo conseguiu corresponder às observações.
“Tentamos todas as configurações razoáveis usando apenas as galáxias visíveis, e nenhuma delas funcionou,” disse Keeton, também professor do Departamento de Física e Astronomia e co-autor do estudo. “A única maneira de fazer a matemática e a física se alinharem foi adicionar um halo de matéria escura. Essa é a força da modelagem. Ela ajuda a revelar o que você não pode ver.”
A configuração incomum não apenas parece interessante: os cientistas afirmaram que é cientificamente valiosa. O efeito de lente magnifica a galáxia de fundo, permitindo que os astrônomos estudem sua estrutura em mais detalhes do que o habitual. Também oferece uma rara oportunidade de aprender sobre a matéria escura que envolve as galáxias à frente.
“Esse sistema é como um laboratório natural,” disse Cox. “Podemos estudar tanto a galáxia distante quanto a matéria invisível que está dobrando sua luz.”
Eid, uma estudante de doutorado da Rutgers e co-autora do estudo, disse que sua participação no projeto de pesquisa foi emocionante do começo ao fim.
“Fiquei animada em me juntar a este projeto como estudante de graduação, especialmente porque envolvia um fascinante sistema de lente que se tornava mais intrigante à medida que nossos modelos se desenvolviam,” disse Eid. “Colaborar entre continentes e fusos horários me ensinou o valor da diversidade de expertise e estilos de pesquisa para compreender totalmente uma nova descoberta.”
A equipe até previu que mais características, como gás em saída da galáxia, poderiam ser visíveis em observações futuras. Se essas previsões forem confirmadas, seria uma validação poderosa de seus modelos. Se não, ainda assim lhes ensinaria algo novo.
“Essa é uma previsão passível de falsificação,” disse Keeton. “Se olharmos e não vermos, teremos que voltar ao desenho. Assim funciona a ciência.”
Baker disse que a descoberta foi criticamente possibilitada tanto pela colaboração internacional quanto pelo apoio federal dos EUA à ciência. “O ALMA no Chile e o Very Large Array (VLA) no Novo México são apoiados pela National Science Foundation, e o Telescópio Espacial Hubble é apoiado pela NASA; todos desempenharam papéis vitais nesse trabalho,” disse ele. “Esperamos que eles continuem a possibilitar tais descobertas bem no futuro.”