3495: Astrónomos usam bolor para mapear as maiores estruturas do Universo

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Os astrónomos desenvolveram um algoritmo de computador, inspirado pelo comportamento do mofo limoso, e testaram-no contra uma simulação de computador do crescimento de filamentos de matéria escura no Universo. Os cientistas então aplicaram o algoritmo de bolor limoso aos dados contendo as localizações de mais de 37.000 galáxias mapeadas pelo SDSS (Sloan Digital Sky Survey). O algoritmo produziu um mapa tridimensional da estrutura da teia cósmica subjacente.
Seguidamente, analisaram a luz de 350 quasares distantes catalogados no Arquivo Espectroscópico do Legado Hubble. Estas distantes lanternas cósmicas são os brilhantes núcleos alimentados a buracos negros de galáxias activas, cuja luz brilha através do espaço e através da teia cósmica em primeiro plano.
Crédito: NASA, ESA e J. Burchett e O. Elek (UC Santa Cruz)

O comportamento de uma das criaturas mais humildes da natureza e dados de arquivo do Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA estão a ajudar os astrónomos a estudar as maiores estruturas do Universo.

O organismo unicelular conhecido como mofo limoso (Physarum polycephalum) constrói redes filamentosas complexas semelhantes a teias em busca de alimentos, sempre encontrando percursos quase óptimos para ligar locais diferentes.

Ao moldar o Universo, a gravidade constrói uma vasta estrutura filamentar em forma de teia de aranha, ligando galáxias e enxames de galáxias ao longo de pontes invisíveis de gás e matéria escura com centenas de milhões de anos-luz de comprimento. Há uma estranha semelhança entre as duas redes, uma produzida pela evolução biológica e a outra pela força primordial da gravidade.

A teia cósmica é a espinha dorsal em larga escala do cosmos, consistindo principalmente de matéria escura entrelaçada com gás, sobre a qual as galáxias são construídas. Embora não possamos ver a matéria escura, constitui a maior parte do material do Universo. Os astrónomos tiveram dificuldade em encontrar estas teias elusivas porque o gás no seu interior é demasiado ténue para ser detectado.

A existência de uma estrutura semelhante a uma teia de aranha, para o Universo, foi sugerida pela primeira vez em levantamentos galácticos na década de 1980. Desde esses estudos, a grande escala desta estrutura filamentar foi revelada por levantamentos subsequentes do céu. Os filamentos formam as fronteiras entre grandes vazios no Universo. Agora, uma equipa de investigadores recorreu ao bolor limoso para os ajudar a construir um mapa dos filamentos do Universo local (até 100 milhões de anos-luz da Terra) e a encontrar o gás no seu interior.

Desenvolveram um algoritmo de computador, inspirado pelo comportamento do mofo limoso, e testaram-no contra uma simulação de computador do crescimento de filamentos de matéria escura do Universo. Um algoritmo de computador é essencialmente uma receita que informa o computador exactamente quais as etapas a serem seguidas para resolver um problema.

Os cientistas então aplicaram o algoritmo de bolor limoso aos dados contendo as localizações de mais de 37.000 galáxias mapeadas pelo SDSS (Sloan Digital Sky Survey). O algoritmo produziu um mapa tridimensional da estrutura da teia cósmica subjacente.

Seguidamente, analisaram a luz de 350 quasares distantes catalogados no Arquivo Espectroscópico do Legado Hubble. Estas distantes lanternas cósmicas são os brilhantes núcleos alimentados a buracos negros de galáxias activas, cuja luz brilha através do espaço e através da teia cósmica em primeiro plano. Impressa nessa luz estava a assinatura reveladora do hidrogénio gasoso invisível que a equipa analisou em pontos específicos ao longo dos filamentos. Estes locais-alvo estão longe das galáxias, o que permitiu à equipa de investigação vincular o gás à estrutura de larga escala do Universo.

“É realmente fascinante que uma das formas mais simples de vida realmente permita desvendar mais sobre as estruturas de maior escala do Universo,” disse o investigador Joseph Burchett, da Universidade da Califórnia, EUA. “Usando a simulação de mofo limoso para encontrar a localização dos filamentos da teia cósmica, incluindo aqueles longe das galáxias, pudemos usar dados de arquivo do Telescópio Espacial Hubble para detectar e determinar a densidade do gás frio nos arredores desses filamentos invisíveis. Os cientistas detectam assinaturas deste gás há mais de meio século e agora provámos a expectativa teórica de que este gás compreende a teia cósmica.”

O levantamento ainda valida investigações que indicam que o gás intergaláctico está organizado em filamentos e também revela a que distância das galáxias o gás é detectado. Os membros da equipa ficaram surpresos ao encontrar gás associado aos filamentos da teia cósmica a mais de 10 milhões de anos-luz das galáxias.

Mas essa não foi a única surpresa. Também descobriram que a assinatura ultravioleta do gás fica mais forte nas regiões mais densas dos filamentos, mas que depois desaparece. “Achamos que esta descoberta nos diz mais sobre as interacções violentas que as galáxias têm nas regiões densas do meio intergaláctico, onde o gás se torna demasiado quente para detectar,” explicou Burchett.

Os cientistas voltaram-se para as simulações de bolor limoso quando procuravam uma maneira de visualizar a ligação teorizada entre a estrutura da teia cósmica e o gás frio, detectado em estudos espectroscópicos anteriores do Hubble.

Oskar Elek, na altura membro da equipa e cientista da computação na Universidade da Califórnia em Santa Cruz, descobriu online o trabalho de Sage Jenson, artista de Berlim. Entre os trabalhos de Jenson, visualizações artísticas fascinantes que mostram o crescimento de uma rede de bolor, parecida com tentáculos, movendo-se de uma fonte de alimento para outra. A arte de Jenson baseou-se no trabalho científico de 2010 de Jeff Jones, da Universidade do Oeste da Inglaterra, em Bristol, que detalhou um algoritmo para simular o crescimento destes organismos unicelulares.

A equipa de investigação foi inspirada pelo modo como o mofo limoso constrói filamentos complexos para capturar novos alimentos e como este mapeamento podia ser aplicado à forma como a gravidade molda o Universo, à medida que a teia cósmica constrói os filamentos entre galáxias e enxames de galáxias. Com base na simulação descrita no artigo de Jones, Elek desenvolveu um modelo tridimensional do crescimento do bolor para estimar a localização da estrutura filamentar da teia cósmica.

Esta análise da teia cósmica no Universo local também encaixa com observações publicadas no outono passado na revista Science da estrutura filamentar do Universo muito mais distante, a cerca de 12 mil milhões de anos-luz da Terra, perto do início do Universo. Nesse estudo, os astrónomos analisaram a luz energética de um jovem enxame de galáxias iluminando os filamentos de hidrogénio gasoso que as ligam.

Astronomia On-line
13 de Março de 2020

 

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3494: Estrela de neutrões com 11 km de raio

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Uma típica estrela de neutrões com um raio de 11 km tem mais ou menos o tamanho de uma cidade média.
Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

Uma equipa internacional de investigação liderada por membros do Instituto Max Planck para Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein) obteve novas medições do tamanho das estrelas de neutrões. Para tal, combinaram uma descrição geral dos primeiros princípios do comportamento desconhecido da matéria das estrelas de neutrões com observações multi-mensageiras da fusão do binário de estrelas de neutrões GW170817. Os seus resultados, publicados na revista Nature Astronomy, são mais rigorosos por um factor de dois do que os limites anteriores e mostram que uma estrela de neutrões típica tem um raio próximo dos 11 quilómetros. Também descobriram que as estrelas de neutrões que se fundem com buracos negros são, na maioria dos casos, provavelmente engolidas inteiras, a menos que o buraco negro seja pequeno e/ou gire rapidamente. Isto significa que, embora tais fusões possam ser observadas como fontes de ondas gravitacionais, seriam invisíveis no espectro electromagnético.

“As fusões de estrelas de neutrões binárias são uma mina de ouro de informações!” diz Collin Capano, investigador do Instituto Albert Einstein em Hannover e autor principal do estudo publicado na Nature Astronomy. “As estrelas de neutrões contêm a matéria mais densa do Universo observável. Na verdade, são tão densas e compactas que podemos pensar de toda a estrela como um único núcleo atómico, ampliado para o tamanho de uma cidade. Ao medir as propriedades destes objectos, aprendemos mais sobre a física fundamental que governa a matéria no nível subatómico.”

“Descobrimos que uma típica estrela de neutrões, que é cerca de 1,4 vezes mais massiva do que o nosso Sol, tem um raio de aproximadamente 11 quilómetros,” diz Badri Krishnan, que liderou a equipa de investigação no Instituto Albert Einstein em Hannover. “Os nossos resultados limitam o raio até provavelmente entre 10,4 e 11,9 quilómetros. É um intervalo duas vezes mais rigoroso do que os resultados anteriores.”

Fusões de estrelas de neutrões binárias como um tesouro astrofísico

As estrelas de neutrões são remanescentes compactos e extremamente densos de explosões de super-nova. São mais ou menos do tamanho de uma cidade e têm até o dobro da massa do nosso Sol. Não sabemos como esta matéria extremamente densa e rica em neutrões se comporta e é impossível criar estas condições num qualquer laboratório da Terra. Os físicos propuseram vários modelos (equações de estado), mas não se sabe qual (se é que existe) destes modelos descreve correctamente a matéria das estrelas de neutrões na natureza.

As fusões de estrelas de neutrões binárias – como GW170817, que foi observada em ondas gravitacionais e em todo o espectro electromagnético em Agosto de 2017 – são os eventos astrofísicos mais excitantes quando se trata de aprender mais sobre a matéria em condições extremas e a física nuclear subjacente. A partir daqui os cientistas podem, por sua vez, determinar as propriedades físicas das estrelas de neutrões, como o raio e a massa.

A equipa de investigação usou um modelo baseado numa descrição dos primeiros princípios de como as partículas subatómicas interagem nas altas densidades encontradas nas estrelas de neutrões. Notavelmente, como mostra a equipa, os cálculos teóricos a escalas inferiores a um bilionésimo de milímetro podem ser comparados com observações de um objecto astrofísico a mais de cem milhões de anos-luz de distância.

“É um pouco incompreensível,” diz Capano. “GW170817 foi provocado pela colisão de dois objectos com o tamanho de uma cidade há 120 milhões de anos, quando os dinossauros ainda vagueavam pela Terra. Isto ocorreu numa galáxia a mais de mil triliões de quilómetros de distância. A partir deste evento, obtivemos informações sobre a física subatómica.”

Qual é o tamanho de uma estrela de neutrões?

A descrição dos primeiros princípios, usada pelos investigadores, prevê uma família inteira de possíveis equações de estado para as estrelas de neutrões, que são directamente derivadas da física nuclear. Desta família, os autores seleccionaram os membros com a maior probabilidade de explicar diferentes observações astrofísicas; escolheram modelos que:

  • concordam com as observações de ondas gravitacionais de GW170817 a partir de dados públicos do LIGO e do Virgo;
  • produzem uma estrela de neutrões hiper-massiva e de vida curta como resultado da fusão;
  • concordam com as restrições conhecidas na massa máxima da estrela de neutrões a partir das observações electromagnéticas de GW170817.

Isto não só permitiu que os cientistas obtivessem informações robustas sobre a física da matéria densa, mas também que obtivessem os limites mais rigorosos, até ao momento, do tamanho das estrelas de neutrões.

Observações futuras de ondas gravitacionais e astronomia multi-mensageira

“Estes resultados são empolgantes, não apenas porque conseguimos melhorar em muito as medições dos raios das estrelas de neutrões, mas porque nos dá uma janela para o destino final das estrelas de neutrões na fusão de binários,” diz Stephanie Brown, co-autora da publicação e estudante de doutoramento no mesmo instituto. Os novos resultados sugerem que, com um evento como GW170817, os detectores LIGO e Virgo, com a sensibilidade projectada, poderão distinguir facilmente, apenas com ondas gravitacionais, a fusão de duas estrelas de neutrões ou de dois buracos negros. Para GW170817, as observações no espectro electromagnético foram cruciais para fazer esta distinção.

A equipa de investigação também descobriu que, para binários mistos (uma estrela de neutrões que se funde com um buraco negro), a existirem apenas ondas gravitacionais da fusão, haverá dificuldade em distinguir estes eventos dos eventos de buracos negros binários. As observações no espectro electromagnético ou de ondas gravitacionais, no rescaldo da fusão, serão cruciais para as diferenciar.

No entanto, os novos resultados também implicam que é improvável que se obtenham observações multi-mensageiras de fusões de binários mistos. “Nós mostrámos que em quase todos os casos a estrela de neutrões não será dilacerada pelo buraco negro, mas engolida por inteiro,” explica Capano. “Somente quando o buraco negro é muito pequeno ou gira rapidamente, é que pode perturbar a estrela de neutrões antes de a engolir; e só então é que podemos esperar ver algo mais além de ondas gravitacionais.”

Um futuro brilhante pela frente

Na próxima década, os detectores existentes de ondas gravitacionais tornar-se-ão ainda mais sensíveis, e detectores adicionais começarão as suas observações. A equipa de investigação espera detecções de ondas gravitacionais mais “audíveis” e possíveis observações multi-mensageiras da fusão de estrelas de neutrões binárias. Cada uma destas fusões proporcionará oportunidades maravilhosas para aprender mais sobre as estrela de neutrões e sobre a física nuclear.

Astronomia On-line
13 de Março de 2020

 

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