A region of the sky called the "Lockman Hole," located in the constellation of Ursa Major, is one of the areas surveyed in infrared light by the Herschel Space Observatory. All of the little dots in this picture are distant galaxies. Image: ESA/Herschel/SPIRE/HerMES
The Herschel Space Observatory has revealed how much dark matter it takes to form a new galaxy bursting with stars. Herschel is a European Space Agency cornerstone mission supported with important NASA contributions.
The findings are a key step in understanding how dark matter, an invisible substance permeating our universe, contributed to the birth of massive galaxies in the early universe.
"If you start with too little dark matter, then a developing galaxy would peter out," said astronomer Asantha Cooray of the University of California, Irvine. He is the principal investigator of new research appearing in the journal Nature, online on Feb. 16 and in the Feb. 24 print edition. "If you have too much, then gas doesn't cool efficiently to form one large galaxy, and you end up with lots of smaller galaxies. But if you have the just the right amount of dark matter, then a galaxy bursting with stars will pop out."
The right amount of dark matter turns out to be a mass equivalent to 300 billion of our suns.
Herschel launched into space in May 2009. The mission's large, 3.5-meter (11.5-foot) telescope detects longer-wavelength infrared light from a host of objects, ranging from asteroids and planets in our own solar system to faraway galaxies.
"This remarkable discovery shows that early galaxies go through periods of star formation much more vigorous than in our present-day Milky Way," said William Danchi, Herschel program scientist at NASA Headquarters in Washington. "It showcases the importance of infrared astronomy, enabling us to peer behind veils of interstellar dust to see stars in their infancy."
Cooray and colleagues used the telescope to measure infrared light from massive, star-forming galaxies located 10 to 11 billion light-years away. Astronomers think these and other galaxies formed inside clumps of dark matter, similar to chicks incubating in eggs.
Giant clumps of dark matter act like gravitational wells that collect the gas and dust needed for making galaxies. When a mixture of gas and dust falls into a well, it condenses and cools, allowing new stars to form. Eventually enough stars form, and a galaxy is born.
Herschel was able to uncover more about how this galaxy-making process works by mapping the infrared light from collections of very distant, massive star-forming galaxies. This pattern of light, called the cosmic infrared background, is like a web that spreads across the sky. Because Herschel can survey large areas quickly with high resolution, it was able to create the first detailed maps of the cosmic infrared background.
"It turns out that it's much more effective to look at these patterns rather than the individual galaxies," said Jamie Bock of NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Calif. Bock is the U.S. principal investigator for Herschel's Spectral and Photometric Imaging Receiver instrument used to make the maps. "This is like looking at a picture in a magazine from a reading distance. You don't notice the individual dots, but you see the big picture. Herschel gives us the big picture of these distant galaxies, showing the influence of dark matter."
The maps showed the galaxies are more clustered into groups than previously believed. The amount of galaxy clustering depends on the amount of dark matter. After a series of complicated numerical simulations, the astronomers were able to determine exactly how much dark matter is needed to form a single star-forming galaxy.
"This measurement is important, because we are homing in on the very basic ingredients in galaxy formation," said Alexandre Amblard of UC Irvine, first author of the Nature paper. "In this case, the ingredient, dark matter, happens to be an exotic substance that we still have much to learn about."
O Observatório Espacial Herschel revelou quanta matéria escura é necessária para formar uma galáxia explodindo com estrelas. O Herschel é uma missão da Agência Espacial Europeia, uma pedra angular amparada por importantes contribuições da NASA.
As descobertas são um passo-chave para a compreensão a respeito de como a matéria escura, uma substância invisível que permeia o universo, contribuiu com o nascimento da galáxias massivas no universo primordial.
"Se começar com muito pouca matéria escura, uma galáxia em desenvolvimento irá dar em nada," disse o astrônomo Asantha Cooray da Universidade da Califórnia, em Irvine. Ele é o pesquisador principal da nova pesquisa que saiu na revista Nature, online em 16 de fevereiro, e 24 de fevereiro na impressa. "Se tiver matéria demais, o gás não se resfria de maneira eficiente para formar uma grabde galáxia, e termina-se com apenas um grupo de pequenas galáxias. Mas havendo quantidade certa de matéria escura, uma galáxia explodirá com estrelas pululando."
A quantidade correta de matéria escura vem a ser a massa equivalente a 300 bilhões de sóis iguais ao nosso.
O Herschel foi lançado ao espaço em maio de 2009. O grande telescópio de 3,5 metros da missão detecta luz infravermelha de comprimento de onda mais longo de uma vastidão de objetos, desde asteroides e planetas no nosso sistema solar até galáxias distantes.
"Essa notável descoberta mostra que galáxias primitivas passam por períodos de formação estelar muito mais vigorosos do que na nossa atual Via Láctea," disse William Danchi, cientista do programa Herschel na sede da NASA em Washington. "Ele exemplifica a importància da astronomia em infravermelho, permitindo enxergar atrás dos véus de poeira interestelar e ver as estrelas em sua infância."
Cooray e colegas usaram o telescópio para medir luz infravermelha de de galáxias massivas de formação estelar localizadas entre 10 e 11 bilhões de anos-luz de distância. Astrônomos creem que essas e outras galáxias foram formadas dentro de montes de matéria escura, de maneira semelhante a pintos de ovos em incubadeiras.
Gigantescos amontoados de matéria escura atuam como poços gravitacionais que coletam o gás e poeira necessários para a formação de galáxias. Quando uma mistura de gás e poeira caem em um poço, se condensa e resfria, permitindo a formação de novas estrelas. Finalmente, estrelas suficientes se formam, e uma galáxia nasce.
O Herschel pôde revelar mais sobre o funcionamento desse processo de formação de galáxias mapeando a luz infravermelha de coleções de galáxias de formação estelar massivas e muito distantes. Este padrão de luz, chamada plano de fundo cósmico infravermelho, é como um reia que se espalha pelo céu. Pelo fato de o Herschel poder pesquisar grandes áreas rapidamente e em alta resolução, foi possível criar os primeiros mapas detalhados do plano de fundo cósmico infravermelho.
"Percebe-se que é muito mais eficaz olhar para esses padrões do que para galáxias individuais," disse Jamie Bock do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, em Pasadena, Califórnia. Bock é o principal investigador nos Estados Unidos para o instrumento do Receptor de Imageamento Espectral Fotométrico do Herschel usado para elaborar os mapas. "Isso é como olhar uma imagem em uma revista à distância de leitura. Não se vê os pontos individualmente, mas sim a grande imagem. O Herschel nos dá a grande imagem dessas distantes galáxias, mostrando a influência da matéria escura."
Os mapas mostram que as galáxias estão mais aglomeradas em grupos do que imaginava. A quantidade de galáxias se aglomerando depende da quantidade de matéria escura. Após uma série de complicadas simulações numéricas, os astrônomos puderam determinar exatamente quanta matéria escura é necessária para formar uma só galáxia de formação estelar.
"Esta medição é importante, porque estamos lidando com os mais básicos ingredientes na formação de uma galáxia," disse Alexandre Amblard da UC Irvine, primeiro autor do artigo da Nature. "Nesse caso, o ingrediente, a matéria escura, vem a ser uma exótica substância sobre a qual ainda temos muito o que aprender."
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