ALMA descobre segredos de bolha espacial gigante

Uma equipa internacional de astrónomos usou o ALMA, assim como o Very Large Telescope do ESO e outros telescópios, para descobrir a verdadeira natureza de um objeto raro no Universo distante, chamado Bolha de Lyman-alfa. Até agora, os astrónomos não compreendiam o que é que fazia estas enormes nuvens de gás brilhar tão intensamente, mas o ALMA viu agora duas galáxias no coração de um destes objetos, galáxias estas que estão a formar estrelas a um ritmo muito acelerado, fazendo brilhar todo o meio que as envolve. Estas enormes galáxias estão por sua vez no centro de um conjunto de galáxias mais pequenas, no que parece ser a fase inicial de formação de um enxame de galáxias massivo. As duas fontes ALMA deverão evoluir numa única galáxia elíptica gigante.
Esta imagem mostra um instante no tempo de uma simulação cósmica de uma Bolha de Lyman-alfa semelhante a LAB-1. Esta simulação traça a evolução do gás e da matéria escura usando um dos mais recentes modelos de formação galáctica, no supercomputador Pleiades da NASA. Esta vista mostra a distribuição do gás no seio do halo de matéria escura, com código de cores tal que o gás frio (essencialmente hidrogénio neutro) aparece a vermelho e o gás quente a branco. Embutidas no centro do sistema estão duas galáxias com formação estelar intensa, rodeadas por gás quente e muitas outras galáxias satélite mais pequenas que aparecem como pequenos nodos de gás vermelho na imagem. Os fotões Lyman-alfa escapam das galáxias centrais e dispersam-se no gás frio associado às galáxias satélite, dando origem a uma Bolha de Lyman-alfa extensa. Créditos: J.Geach/D.Narayanan/R.Crain

Esta imagem mostra um instante no tempo de uma simulação cósmica de uma Bolha de Lyman-alfa semelhante a LAB-1. Esta simulação traça a evolução do gás e da matéria escura usando um dos mais recentes modelos de formação galáctica, no supercomputador Pleiades da NASA. Esta vista mostra a distribuição do gás no seio do halo de matéria escura, com código de cores tal que o gás frio (essencialmente hidrogénio neutro) aparece a vermelho e o gás quente a branco. Embutidas no centro do sistema estão duas galáxias com formação estelar intensa, rodeadas por gás quente e muitas outras galáxias satélite mais pequenas que aparecem como pequenos nodos de gás vermelho na imagem. Os fotões Lyman-alfa escapam das galáxias centrais e dispersam-se no gás frio associado às galáxias satélite, dando origem a uma Bolha de Lyman-alfa extensa.
Créditos: J.Geach/D.Narayanan/R.Crain

As Bolhas de Lyman-alfa são enormes nuvens de hidrogénio gasoso com dimensões que podem ir até às centenas de milhares de anos-luz e que se encontram a grandes distâncias cósmicas. O nome reflete o comprimento de onda característico da radiação ultravioleta que emitem, conhecida por radiação de Lyman-alfa. Desde a descoberta destes objetos, os processos que lhes dão origem têm constituído um puzzle astronómico. Novas observações obtidas agora com o ALMA acabam de resolver o mistério.

Esta imagem mostra um dos maiores objetos conhecidos no Universo, a Bolha de Lyman-alfa LAB-1. A imagem é a composição de duas imagens diferentes obtidas com o instrumento FORS montado no Very Large Telescope (VLT) — uma imagem maior que mostra as galáxias circundantes e uma observação muito mais profunda da bolha propriamente dita no centro, obtida para detectar a sua polarização. A intensa radiação ultravioleta de Lyman-alfa emitida pela bolha aparece-nos verde após ter sido “esticada” pela expansão do Universo durante a sua longa viagem até à Terra. Estas observações mostram pela primeira vez que a radiação emitida por este objeto é polarizada, o que significa que a bolha gigante deve estar a ser alimentada por galáxias embebidas no seio da nuvem. Créditos: ESO/M. Hayes

Esta imagem mostra um dos maiores objetos conhecidos no Universo, a Bolha de Lyman-alfa LAB-1. A imagem é a composição de duas imagens diferentes obtidas com o instrumento FORS montado no Very Large Telescope (VLT) — uma imagem maior que mostra as galáxias circundantes e uma observação muito mais profunda da bolha propriamente dita no centro, obtida para detectar a sua polarização. A intensa radiação ultravioleta de Lyman-alfa emitida pela bolha aparece-nos verde após ter sido “esticada” pela expansão do Universo durante a sua longa viagem até à Terra. Estas observações mostram pela primeira vez que a radiação emitida por este objeto é polarizada, o que significa que a bolha gigante deve estar a ser alimentada por galáxias embebidas no seio da nuvem.
Créditos: ESO/M. Hayes

Uma das maiores Bolhas de Lyman-alfa conhecidas e estudadas com muito detalhe é a SSA22-Lyman-alfa 1, ou LAB 1. Situada no núcleo de um enorme enxame de galáxias na fase inicial de formação, este foi o primeiro objeto do tipo a ser descoberto — em 2000 — e localiza-se tão longe que a sua luz demorou 11,5 mil milhões de anos a chegar até nós.

Uma equipa de astrónomos, liderada por Jim Geach, do Centre for Astrophysics Research of the University of Hertfordshire, RU, utilizou a capacidade sem precedentes do Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para investigar a LAB-1, observando a radiação emitida por nuvens de poeira fria em galáxias distantes, o que permitiu localizar e resolver várias fontes de emissão submilimétrica.

A equipa combinou seguidamente as imagens ALMA com observações obtidas com o instrumento MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer), montado no Very Large Telescope do ESO (VLT), as quais mapeiam a radiação Lyman-alfa. Isto mostrou que as fontes ALMA estão localizadas mesmo no centro da Bolha de Lyman-alfa, onde se encontram a formar estrelas a uma taxa cerca de 100 vezes maior que a da Via Láctea.

Adicionalmente, imagens profundas obtidas com o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA e espectroscopia do Observatório W. M. Keck mostraram que as fontes ALMA estão rodeadas por numerosas galáxias companheiras ténues que podem estar a bombardeá-las com material, ajudando assim a aumentar as taxas de formação estelar nas fontes ALMA centrais.

A equipa fez seguidamente uma sofisticada simulação de formação galáctica para demonstrar que a enorme nuvem brilhante de emissão Lyman-alfa pode ser explicada se radiação ultravioleta produzida pela formação estelar nas fontes ALMA for dispersada pelo hidrogénio gasoso circundante. Este efeito daria origem à Bolha de Lyman-alfa que observamos.

Jim Geach, autor principal do novo estudo, explica: “Pensemos nas luzes da rua numa noite de nevoeiro — vemos um brilho difuso porque a luz é dispersada pelas minúsculas gotas de água. Algo semelhante acontece aqui, excepto que a luz da rua é uma galáxia a formar estrelas com muita intensidade e o nevoeiro é uma enorme nuvem de gás intergaláctico. As galáxias iluminam o seu meio envolvente.”

Esta sequência de imagens faz-nos aproximar de um dos maiores objetos conhecidos no Universo, a Bolha de Lyman-alfa LAB-1. Observações obtidas com o VLT do ESO mostraram pela primeira vez que esta bolha gigante deve estar a ser alimentada por galáxias embebidas no seio da nuvem. A imagem da esquerda mostra uma vista de grande angular da constelação do Aquário. As duas imagens em cima à direita foram criadas a partir de fotografias tiradas através de filtros azuis e vermelhos e fazem parte do Digitized Sky Survey 2. As duas imagens embaixo à direita foram obtidas com a câmara FORS montada no VLT. Créditos: ESO/A. Fujii/M. Hayes and Digitized Sky Survey 2

Esta sequência de imagens faz-nos aproximar de um dos maiores objetos conhecidos no Universo, a Bolha de Lyman-alfa LAB-1. Observações obtidas com o VLT do ESO mostraram pela primeira vez que esta bolha gigante deve estar a ser alimentada por galáxias embebidas no seio da nuvem. A imagem da esquerda mostra uma vista de grande angular da constelação do Aquário. As duas imagens em cima à direita foram criadas a partir de fotografias tiradas através de filtros azuis e vermelhos e fazem parte do Digitized Sky Survey 2. As duas imagens embaixo à direita foram obtidas com a câmara FORS montada no VLT.
Créditos: ESO/A. Fujii/M. Hayes and Digitized Sky Survey 2

Compreender como é que as galáxias se formam e evoluem é um enorme desafio. Os astrónomos pensam que as Bolhas de Lyman-alfa são importantes porque parecem ser os locais onde a maioria das galáxias massivas do Universo se formam. Em particular, o brilho extenso de Lyman-alfa fornece informações sobre o que está a acontecer nas nuvens de gás primordial que rodeiam as jovens galáxias, uma região muito difícil de estudar, mas critica para a compreensão destes fenómenos.

Jim Geach conclui, “O que é excitante nestas Bolhas é que estamos a ver o que se passa em torno destas jovens galáxias em crescimento. Durante muito tempo, a origem desta radiação extensa de Lyman-alfa permaneceu controversa. No entanto, combinando novas observações e simulações de vanguarda, pensamos ter resolvido um mistério de 15 anos: a Bolha de Lyman-alfa 1 é o local de formação de uma galáxia elíptica gigante, que um dia será o coração de um enorme enxame de galáxias. Estamos a ver uma “fotografia” da formação dessa galáxia há 11,5 mil milhões de anos atrás.”

Este diagrama explica como é que brilha uma Bolha de Lyman-alfa, um dos maiores e mais brilhantes objetos no Universo. Créditos: ESO/J. Geach

Este diagrama explica como é que brilha uma Bolha de Lyman-alfa, um dos maiores e mais brilhantes objetos no Universo.
Créditos: ESO/J. Geach

Fonte: Observatório Europeu do Sul (ESO)

Buraco negro esfomeado devolve galáxia brilhante à escuridão

O mistério da estranha mudança de comportamento de um buraco negro supermassivo situado no centro de uma galáxia distante foi resolvido por uma equipa internacional de astrónomos com o auxílio do Very Large Telescope do ESO, do Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA e do Observatório de Raios X Chandra da NASA. A equipa concluiu que o buraco negro está a atravessar um período difícil, não estando a ser alimentado o suficiente para poder brilhar.
Esta imagem, obtida com o instrumento MUSE montado no Very Large Telescope do ESO, mostra a galáxia ativa Markarian 1018, a qual possui um buraco negro supermassivo no seu núcleo. Os ténues laços de luz são o resultado da sua interação e fusão com outra galáxia, num passado recente.

Esta imagem, obtida com o instrumento MUSE montado no Very Large Telescope do ESO, mostra a galáxia ativa Markarian 1018, a qual possui um buraco negro supermassivo no seu núcleo. Os ténues laços de luz são o resultado da sua interação e fusão com outra galáxia, num passado recente. Créditos: ESO/CARS survey

 

Muitas galáxias possuem um núcleo extremamente brilhante alimentado por um buraco negro supermassivo. Estes núcleos fazem das “galáxias ativas” uns dos objetos mais brilhantes do Universo. Pensa-se que resplandecem porque material quente brilha intensamente à medida que cai no buraco negro, um processo conhecido por acrecção. Esta luz brilhante varia imenso entre diferentes galáxias ativas, por isso os astrónomos classificaram-nas em diversos tipos segundo as propriedades da radiação que emitem.

Observou-se que algumas destas galáxias variam drasticamente em períodos de apenas 10 anos; um piscar de olhos em termos astronómicos. No entanto, a galáxia ativa deste estudo, Markarian 1018, destaca-se por ter mudado de tipo uma segunda vez, voltando à sua classificação original nos últimos 5 anos. Observaram-se já algumas galáxias que apresentam também uma mudança completa de ciclo, no entanto nunca nenhuma tinha sido estudada com tanto pormenor.

A natureza instável de Markarian 1018 foi descoberta por acaso no rastreio CARS (Close AGN Reference Survey), um projeto de colaboração entre o ESO e outras organizações, que pretendeu juntar informação sobre 40 galáxias próximas com núcleos ativos. As observações de rotina de Markarian 1018 com o instrumento MUSE (Multi-Unit Spectroscopic Explorer), instalado no Very Large Telescope do ESO revelaram uma mudança surpreendente na emissão de radiação da galáxia.

“Ficámos espantados com a mudança rara e drástica  de Markarian 1018”, disse Rebecca McElroy, autora principal do artigo científico que descreve estes resultados e estudante de doutoramento da Universidade de Sydney e do ARC Centre of Excellence for All Sky Astrophysics (CAASTRO).

A observação ocasional desta galáxia tão perto da altura em que começou a desvanescer deu-nos a oportunidade inesperada de compreender como funcionam estas galáxias, como Bernd Husemann, líder do projeto e autor principal de dois artigos associados à descoberta, explica: ”Tivemos sorte em detectar este evento apenas 3 ou 4 anos após o início do declínio, o que nos possibilitou organizar campanhas de monitorização para estudar os detalhes da física de acrecção em galáxias ativas que, de outro modo, não poderiam ser estudados.”

A equipa de investigação tirou o maior partido desta oportunidade, tentando descobrir prioritariamente o processo que faz com que o brilho de Markarian 1018 varie de modo tão rápido. Este fenómeno pode ser causado por uma quantidade de eventos astrofísicos, mas a equipa já pôs de parte o efeito do buraco negro ter puxado e consumido uma estrela individual, sendo igualmente improvável que haja obscurecimento por parte de gás existente. O verdadeiro mecanismo responsável pela surprendente variação de Markarian 1018 permaneceu um mistério após a primeira ronda de observações.

No entanto, a equipa conseguiu colectar dados adicionais com tempo de observação no Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA e no Observatório de Raios X Chandra da NASA. Com estes novos dados o mistério acabou por ficar resolvido — o buraco negro vai-se desvanecendo lentamente porque já não tem material para acretar.

“É possível que esta falta de matéria se deva ao facto da entrada de combustível ter sido interrompida”, disse Rebecca McElroy. “Uma possibilidade intrigante é este efeito ser devido a interações com um segundo buraco negro supermassivo”. A existência de um tal sistema binário de buracos negros é uma possibilidade clara em Markarian 1018, já que esta galáxia resulta da fusão entre duas galáxias — cada uma das quais conteria muito provavelmente um buraco negro supermassivo no seu centro.

Continua a investigação sobre os mecanismos que atuam em galáxias ativas que, como Markarian 1018, mudam a sua aparência. “A equipa teve que trabalhar rapidamente para determinar o que é que estava a fazer com que Markarian 1018 voltasse à escuridão,” comentou Bernd Husemann. ”Campanhas de monitorização a decorrer atualmente com os telescópios do ESO e outras infraestruturas permitirão explorar com muito mais detalhe o extraordinário mundo dos buracos negros “esfomeados” e das galáxias ativas que variam.”

Fonte: Observatório Europeu do Sul (ESO)

Rumo ao mais preciso mapa da Galáxia

A missão Gaia, da Agência Espacial Europeia (ESA), faz hoje a sua primeira entrega de dados, que inclui a posição e o brilho aparente de mais de mil milhões de fontes de luz no céu. Sonia Antón, investigadora do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA), é membro do DPAC (Data Processing and Analysis Consortium), o consórcio responsável pelo processamento dos dados obtidos pelo satélite e pela publicação de diferentes catálogos ao longo da missão.
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Conceção artística do satélite Gaia, com a Via Láctea em fundo. Créditos: ESA/ATG medialab; imagem de fundo: ESO/S. Brunier

O satélite Gaia varre repetidamente o céu medindo as posições de objetos aparentemente pontuais, como estrelas, exoplanetas, pequenos corpos no sistema solar, ou galáxias distantes. Mede ainda variações nestas posições ao longo do tempo. Numa primeira fase, estas posições são estimadas em função de um catálogo de objetos cuja localização no céu é bem conhecida, usados como referência. “

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Sonia Antón

Deste catalogo fazem parte centenas de milhares de quasares”, comenta Sonia Antón (IA e Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa), especialista no estudo de quasares e galáxias com núcleos ativos (AGNs). “Os quasares são os melhores objetos para definir um sistema de referência porque têm aspeto quase pontual e estão suficientemente afastados para que não se detetem movimentos próprios. A posição exata de cada ponto de luz no céu detetado pelo Gaia é identificada tendo por referência este pano de fundo de quasares.”

Sonia Antón participa também na equipa que fará a análise e a seleção dos quasares e AGNs que permitirão o alinhamento entre o atual sistema de referência no céu e o seu sucessor, o futuro sistema baseado no Gaia. “Ainda que o Gaia tenha sido construído para o estudo dos objetos da nossa galáxia, prevê-se que detete entre 1 e 10 milhões de galáxias e cerca de 600 000 quasares/AGNs. Estou particularmente interessada no estudo da variabilidade destes objetos”, acrescenta Sonia Antón.

Para Mário João Monteiro (IA e Universidade do Porto): “Os resultados desta missão têm impacto em quase todas as áreas da Astronomia e da Astrofísica. A astrofísica estelar e o estudo dos exoplanetas, são duas das áreas, em particular, onde teremos um impacto significativo da missão Gaia.”

Vardan Adibekyan (IA e Universidade do Porto) acrescenta: “Graças à missão Gaia iremos em breve adicionar uma terceira técnica à deteção de exoplanetas. Espera-se que com os dados do Gaia se consigam descobrir milhares de novos mundos e perceber melhor a sua formação e evolução.”

Fonte: Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA)