Cloud-9: nuvem de hidrogênio sem estrelas pode revelar halos de matéria escura

A Cloud-9 é uma nuvem compacta de hidrogênio atômico neutro — o chamado H I — nas proximidades da galáxia espiral Messier 94 (M94). Ela pode ser uma autêntica “galáxia escura”: um reservatório de gás preso pela gravidade de um halo de matéria escura, mas com pouca ou nenhuma população de estrelas. Por enquanto, é o candidato mais forte a uma RELHIC (Reionization-Limited H I Cloud, ou nuvem de H I limitada pela reionização), embora essa classificação ainda seja uma interpretação científica, não uma prova definitiva. 23

O que as imagens mais profundas revelaram

A equipe liderada por Ignacio Trujillo usou a câmera HiPERCAM, instalada no Gran Telescopio Canarias, para procurar o brilho extremamente fraco de estrelas. As observações alcançaram limites de brilho superficial de 31,4 mag/arcsec² na banda g e 31,0 mag/arcsec² na banda r — aproximadamente dez vezes mais profundos do que os de imagens anteriores da região. 1

Ainda assim, não surgiu qualquer emissão estelar difusa no quadrado central de 1 minuto de arco por 1 minuto de arco, que corresponde a cerca de 1,3 × 1,3 quiloparsec, ou aproximadamente 4.200 anos-luz, na distância estimada da Cloud-9. 1

Essa ausência não significa que seja matematicamente impossível haver estrelas ali. Significa, porém, que elas não foram detectadas mesmo sob limites observacionais excepcionalmente rigorosos.

Se houver estrelas, elas são pouquíssimas

Os pesquisadores também calcularam o que a não detecção permite concluir. Caso exista uma população de estrelas antiga e pobre em elementos pesados — um cenário difícil de enxergar —, sua densidade superficial seria de no máximo cerca de 0,01 massa solar por parsec quadrado. A massa total em estrelas na região central ficaria abaixo de 16 mil massas solares. 1

O resultado é independente e compatível com a busca anterior do telescópio espacial Hubble por estrelas individuais. 12 Juntas, as duas abordagens fortalecem o argumento de que a Cloud-9 é, no mínimo, extraordinariamente pobre em estrelas.

Muito gás, pouca luz e possivelmente muita matéria escura

Observações em rádio indicam que a Cloud-9 é compacta, dinamicamente fria e aparentemente não gira de forma detectável. Ela contém cerca de 1 milhão de massas solares de hidrogênio neutro. 2

Modelos usados para interpretar o sistema estimam um halo com massa da ordem de 5 bilhões de massas solares. Comparada especificamente à massa de H I, essa estimativa leva à razão frequentemente citada de cerca de 5.000 para 1 entre a massa do halo e a do hidrogênio neutro.

Há uma ressalva importante: essa não é a proporção padrão entre matéria escura e toda a matéria comum. Hélio e gás ionizado, por exemplo, também contam como matéria bariônica — a matéria “normal” — e não estão incluídos apenas na medida de H I.

O “ponto ideal” previsto para uma galáxia que não deu certo

No modelo cosmológico ΛCDM, sigla para Lambda Cold Dark Matter, a matéria escura fria ajuda a formar halos gravitacionais que podem reunir gás. Mas a reionização do Universo, ocorrida em seus primeiros tempos, aqueceu o gás intergaláctico e dificultou sua captura pelos halos menores.

A previsão é de uma faixa estreita: halos mais massivos conseguem resfriar o gás de modo eficiente e, em geral, formar estrelas; halos muito menores não conseguem reter o gás. A Cloud-9 parece ocupar justamente esse possível “ponto ideal”, no qual um halo preserva hidrogênio neutro, mas permanece efetivamente sem estrelas. 23

Se essa interpretação se confirmar, o objeto servirá como um teste observacional relevante para a previsão do ΛCDM de que existam numerosos halos de matéria escura de baixa massa, muitos dos quais seriam difíceis de detectar por não abrigarem galáxias luminosas.

O que ainda falta descobrir

A classificação da Cloud-9 como RELHIC continua dependente de modelos, especialmente a estimativa de massa do halo. Portanto, o achado não demonstra de modo absoluto que existem zero estrelas no objeto; demonstra que não há estrelas detectáveis até limites muito profundos. 12

Levantamentos anteriores do DESI Imaging Legacy Survey já não haviam encontrado uma contraparte óptica até aproximadamente 29,15 mag/arcsec². 3 Agora, futuras pesquisas de H I em grandes áreas do céu, combinadas com imagens ópticas profundas, poderão procurar mais nuvens compactas, isoladas, extremamente pobres em metais ou sem estrelas.

A questão central é se a Cloud-9 é uma sobrevivente raríssima do Universo jovem ou o primeiro exemplo de uma população inteira de halos escuros e ricos em gás.