2924: Um mega-enxame de galáxias em formação

CIÊNCIA

Composição de dados em raios-X e no visível dos enxames de galáxias Abell 1758.
Crédito: raios-X – NASA/CXC/SAO/G. Schellenberger et al.; ótico – SDSS

Astrónomos que usam dados do Observatório de raios-X Chandra da NASA e de outros telescópios reuniram um mapa detalhado de uma rara colisão entre quatro enxames de galáxias. Eventualmente, todos os quatro enxames – cada com uma massa de pelo menos várias centenas de biliões de vezes a massa do Sol – se vão fundir para formar um dos objectos mais massivos do Universo.

Os enxames galácticos são as maiores estruturas do cosmos mantidas juntas pela gravidade. Os enxames consistem de centenas ou mesmo milhares de galáxias embebidas em gás quente e contêm uma quantidade ainda maior de matéria escura invisível. Às vezes, dois enxames de galáxias colidem, como no caso do Enxame da Bala, e ocasionalmente mais de dois colidem ao mesmo tempo.

As novas observações mostram uma mega-estrutura sendo montada num sistema chamado Abell 1758, localizado a cerca de 3 mil milhões de anos-luz da Terra. Contém dois pares de enxames galácticos em colisão que se estão a aproximar. Os cientistas reconheceram Abell 1758 pela primeira vez como um enxame quádruplo de galáxias em 2004 usando dados do Chandra e do XMM-Newton, um satélite operado pela ESA.

Cada par no sistema contém dois aglomerados galácticos que estão já em fusão. No par norte (topo) da imagem, os centros de cada enxame já passaram um pelo outro, há cerca de 300 a 400 milhões de anos, e eventualmente voltarão a aproximar-se. O segundo par, na parte inferior da imagem, possui dois grupos que estão perto de se aproximar pela primeira vez.

Os raios-X do Chandra são vistos em azul e branco, representando emissão difusa mais fraca e mais brilhante, respectivamente. Esta nova composição também inclui uma imagem óptica do SDSS (Sloan Digital Sky Survey). Os dados do Chandra revelaram, pela primeira vez, uma onda de choque – semelhante ao boom sónico de um avião supersónico – em gás quente visível com o Chandra na colisão do par norte. A partir desta onda de choque, os investigadores estimam que os dois grupos estão a mover-se a 3-5 milhões de quilómetros por hora, em relação um ao outro.

Os dados do Chandra também fornecem informações sobre como os elementos mais pesados do que o hélio, os “elementos pesados”, nos enxames de galáxias, são misturados e redistribuídos depois que os aglomerados colidem e se fundem. Dado que este processo depende do progresso da fusão, Abell 1758 é um valioso estudo de caso, uma vez que os pares de enxames a norte e a sul estão em diferentes estágios de fusão.

No par sul, os elementos pesados são mais abundantes nos centros dos dois enxames em colisão, mostrando que a localização original dos elementos não foi fortemente impactada pela colisão em andamento. Em contraste, no par norte, onde a colisão e a fusão já progrediram, a localização dos elementos pesados foi fortemente influenciada pela colisão. As maiores abundâncias são encontradas entre os dois centros do enxame e do lado esquerdo do par de enxames, enquanto as abundâncias mais baixas estão no centro do enxame no lado esquerdo da imagem.

As colisões entre os enxames afectam as suas galáxias componentes, bem como o gás quente que as rodeia. Dados do telescópio MMT de 6,5 metros no estado norte-americano do Arizona, obtidos como parte do ACReS (Arizona Cluster Redshift Survey), mostram que algumas galáxias estão a mover-se muito mais depressa do que outras, provavelmente porque foram expelidas de perto das outras galáxias do enxame pelas forças gravitacionais concedidas pela colisão.

A equipa também usou dados de rádio do GMRT (Giant Metrewave Radio Telescope) e raios-X da missão XMM-Newton da ESA. O artigo que descreve estes resultados mais recentes foi publicado na edição de 1 de Setembro de 2019 da revista The Astrophysical Journal e está disponível online.

Astronomia On-line
29 de Outubro de 2019

 

2718: Encontrados três buracos negros em rota de colisão

CIÊNCIA

Um trio de buracos negros localizados a mil milhões de anos-luz da Terra.
Crédito: raios-X – NASA/CXC/Universidade George Mason/R. Pfeifle et al.; ótico – SDSS & NASA/STScI

Os astrónomos descobriram três buracos negros gigantes numa colisão titânica de três galáxias. O sistema invulgar foi capturado por vários observatórios, incluindo três telescópios espaciais da NASA.

“Estávamos na altura apenas à procura de pares de buracos negros e, ainda assim, através da nossa técnica de selecção, deparámo-nos com este sistema incrível,” disse Ryan Pfeifle, da Universidade George Mason, em Fairfax, no estado norte-americano da Virgínia, primeiro autor de um novo artigo publicado na revista The Astrophysical Journal que descreve estes resultados. “Esta é a evidência mais forte já encontrada de um sistema triplo de buracos negros super-massivos activos.”

O sistema é conhecido como SDSS J084905.51+111447.2 (ou, abreviando, SDSS J0849+1114) e está localizado a mil milhões de anos-luz da Terra.

Para descobrir este grupo raro, os investigadores precisaram de combinar dados de telescópios no solo e no espaço. Primeiro, o telescópio SDSS (Sloan Digital Sky Survey), que varre grandes faixas do céu no visível, situado no estado norte-americano do Novo México, fotografou SDSS J0849+1114. Com a ajuda de cientistas cidadãos que participam num projecto chamado Galaxy Zoo, foi rotulado como um sistema de galáxias em colisão.

Então, dados da missão WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) da NASA revelaram que o sistema brilhava intensamente no infravermelho durante uma fase na fusão galáctica em que se espera que mais do que um dos buracos negros estivesse a alimentar-se rapidamente. Para acompanhar estas pistas, os astrónomos voltaram-se para o Chandra e para o LBT (Large Binocular Telescope) no Arizona.

Os dados do Chandra revelaram fontes de raios-X – um sinal revelador de material a ser consumido pelos buracos negros – nos centros brilhantes de cada galáxia em fusão, exactamente onde os cientistas esperam que os buracos negros super-massivos residam. O Chandra e o NusTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) da NASA também encontraram evidências de grandes quantidades de gás e poeira em torno de um dos buracos negros, típico de um sistema de buracos negros em fusão.

Entretanto, dados no visível do SDSS e do LBT mostraram assinaturas espectrais características de material sendo consumido pelos três buracos negros super-massivos.

“Os espectros ópticos contêm muitas informações sobre uma galáxia”, disse a co-autora Christina Manzano-King da Universidade da Califórnia, em Riverside. “São usados frequentemente para identificar buracos negros super-massivos em acreção activa e podem reflectir o impacto que têm nas galáxias que habitam.”

Uma das razões pelas quais é difícil encontrar um trio de buracos negros super-massivos é que provavelmente estão envoltos em gás e poeira, bloqueando grande parte da sua luz. As imagens infravermelhas do WISE, os espectros infravermelhos do LBT e as imagens de raios-X do Chandra ignoram este problema, porque a luz infravermelha e os raios-X penetram nuvens de gás com muito mais facilidade do que a luz óptica.

“Com a utilização destes importantes observatórios, descobrimos uma nova maneira de identificar buracos negros super-massivos triplos. Cada telescópio dá-nos uma pista diferente do que está a acontecer nestes sistemas,” disse Pfeifle. “Esperamos ampliar o nosso trabalho para encontrar mais triplos usando a mesma técnica.”

“Os buracos negros duplos e triplos são extremamente raros,” disse Shobita Satyapal, também da Universidade George Mason, “mas estes sistemas são na verdade uma consequência natural das fusões galácticas, que pensamos ser como as galáxias crescem e evoluem.”

Três buracos negros super-massivos em fusão comportam-se de maneira diferente de apenas um par. Quando existem três buracos negros em interacção, um par deve fundir-se num buraco negro maior muito mais depressa do que se os dois estivessem sozinhos. Esta pode ser uma solução para um enigma teórico chamado “problema do parsec final”, no qual dois buracos negros super-massivos podem aproximar-se alguns anos-luz um do outro, mas precisariam de uma força extra para se fundirem devido ao excesso de energia que transportam nas suas órbitas. A influência de um terceiro buraco negro, como em SDSS J0849+1114, poderá finalmente reuni-los.

Simulações de computador mostraram que 16% dos pares de buracos negros super-massivos em galáxias em colisão terão interagido com um terceiro buraco negro super-massivo antes de se fundirem. Tais fusões terão produzido ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais. Estas ondas terão frequências mais baixas do que o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) da NSF e o detector europeu de ondas gravitacionais Virgo podem detectar. No entanto, podem ser detectáveis com observações rádio de pulsares, bem como com observatórios espaciais futuros, como o LISA (Laser Interferometer Space Antenna) da ESA, que detectará buracos negros com até um milhão de massas solares.

Astronomia On-line
27 de Setembro de 2019

 

2633: Há um buraco negro super-massivo a fazer três refeições por dia

CIÊNCIA

NASA / CXO / CSIC-INTA / G.MINIUTTI ET AL.; DSS
Imagens raio-X do brilho em torno do buraco negro da galáxia GSN 069

No centro da galáxia GSN 069 mora um buraco negro super-massivo que está a consumir grandes quantidades de material num horário regular, a cada nove horas.

Os cientistas já tinham observado dois buracos negros de “massa estelar”, isto é, que pesam aproximadamente 10 vezes a massa do Sol. No entanto, nunca tinham detectado este tipo de comportamento num buraco negro super-massivo.

O buraco negro mora bem no centro da galáxia GSN 069, a 250 milhões de anos-luz da Terra, e contém cerca de 400.000 vezes a massa do Sol. Os cientistas usaram os telescópios espaciais Chandra (NASA) e XMM-Newton (ESA) para concluir que este buraco negro consome, aproximadamente, quatro luas (semelhantes à da Terra) três vezes por dia.

Giovanni Miniutti, do Centro de Astrobiologia da ESA, adiantou em comunicado que o “buraco negro segue um plano nutricional como nunca vimos antes”. “Este comportamento é tão sem precedentes que tivemos de cunhar uma nova expressão para o descrever: erupções quase periódicas de raios-X.”

“Combinando dados dos dois observatórios de raios-X, seguimos as explosões periódicas durante, pelo menos, 54 dias”, explicou Richard Saxton, do Centro Europeu de Astronomia Espacial de Madrid, em Espanha. “Este acompanhamento deu-nos uma oportunidade única de testemunhar o fluxo de matéria num buraco negro super-massivo que acelera e desacelera repetidamente”.

Durante as explosões, a emissão de raios-X torna-se 20 vezes mais brilhante do que durante os momentos de silêncio. A temperatura do gás que cai no buraco negro também aumenta, de meio milhão de graus Celsius durante períodos de silêncio para, aproximadamente, 1,3 milhões durante explosões.

Segundo o Europa Press, os cientistas acreditam que a origem da emissão de raios-X “é uma estrela que o buraco negro quebrou parcial ou completamente e que consume lentamente”, adiantou Margherita Giustini, também do Centro de Astrobiologia da ESA.

“Quanto às repetidas explosões, a história é completamente diferente, cuja origem precisa de ser estudada com novos dados e novos modelos teóricos”.

ZAP //

Por ZAP
14 Setembro, 2019

 

Descoberto buraco negro “encoberto” no Universo inicial

Dados do Observatório de raios-X Chandra da NASA revelaram o que poderá ser o mais distante buraco negro “encoberto”.
Crédito: raios-X – NASA/CXO/Pontificia Universidad Católica de Chile/F. Vito; rádio – ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); óptico – Pan-STARRS

Os astrónomos descobriram evidências do mais distante buraco negro “encoberto” até à data, usando o Observatório de raios-X Chandra da NASA. A apenas 6% da idade do Universo, esta é a primeira indicação de um buraco negro escondido por gás numa altura tão precoce na história do cosmos.

Os buracos negros super-massivos, com milhões a milhares de milhões de vezes a massa do nosso Sol, normalmente crescem puxando material de um disco de matéria circundante. O crescimento rápido gera grandes quantidades de radiação numa região muito pequena em redor do buraco negro. Os cientistas chamam “quasar” a esta fonte extremamente brilhante e compacta.

De acordo com as teorias actuais, uma densa nuvem de gás alimenta o material no disco em torno do buraco negro super-massivo durante o seu período de crescimento inicial, que “envolve” ou esconde da nossa observação a maior parte da luz brilhante do quasar. À medida que o buraco negro consome material e se torna mais massivo, o gás na nuvem esgota-se, até que o buraco negro e o seu disco brilhante ficam a descoberto.

“É extraordinariamente desafiador encontrar quasares nesta fase encoberta, porque grande parte da sua radiação é absorvida e não pode ser detectada pelos instrumentos actuais,” disse Fábio Vito da Pontificia Universidad Católica de Chile, em Santiago, Chile, que liderou o estudo. “Graças ao Chandra e à capacidade dos raios-X em penetrarem através da nuvem obscura, pensamos que finalmente conseguimos.”

A nova descoberta surgiu de observações de um quasar chamado PSO167-13, que foi descoberto pela primeira vez pelo Pan-STARRS, um telescópio óptico no Hawaii. Observações ópticas deste e de outros levantamentos detectaram cerca de 200 quasares que já brilhavam intensamente quando o Universo tinha menos de mil milhão de anos, ou cerca de 7% da sua idade actual. Estas pesquisas só foram consideradas eficazes para encontrar buracos negros não cobertos, porque a radiação que detectam é suprimida até por finas nuvens de gás e poeira. Como PSO167-13 fazia parte destas observações, esperava-se que este quasar também estivesse desobstruído.

A equipa de Vito testou esta ideia usando o Chandra para observar PSO167-13 e outros nove quasares descobertos com levantamentos ópticos. Após 16 horas de observações, apenas três fotões de raios-X foram detectados de PSO167-13, todos com energias relativamente altas. Dado que os raios-X de baixa energia são mais facilmente absorvidos do que os de mais alta energia, a explicação provável é que o quasar é altamente obscurecido pelo gás, permitindo que sejam detectados apenas raios-X de alta energia.

“Esta foi uma completa surpresa,” disse o co-autor Niel Brandt da Universidade Estatal da Pensilvânia em University Park, EUA. “Era como se estivéssemos à espera de uma borboleta, mas ao invés víssemos um casulo. Nenhum dos outros nove quasares que observámos estava coberto, que foi o que previmos.”

Uma reviravolta interessante no que toca a PSO167-13 é que a galáxia hospedeira tem uma galáxia companheira, visível nos dados anteriormente obtidos com o ALMA (Atacama Large Millimeter Array) no Chile e com o Telescópio Espacial Hubble da NASA. Dada a sua pequena separação e o fraco brilho da fonte em raios-X, a equipa não foi capaz de determinar se a recém-descoberta emissão de raios-X está associada com o quasar PSO167-13 ou com a galáxia companheira.

Se os raios-X vierem do quasar conhecido, então os astrónomos precisam de desenvolver uma explicação para o porquê de o quasar parecer altamente obscurecido em raios-X, mas não no visível. Uma possibilidade é que houve um aumento grande e rápido no “disfarce” do quasar durante os três anos que separam as observações ópticas das de raios-X.

Por outro lado, se em vez disso os raios-X tiverem origem na galáxia companheira, então representa a detecção de um novo quasar em íntima proximidade com PSO167-13. Este par de quasares seria o mais distante já detectado.

Em qualquer um destes dois casos, o quasar detectado pelo Chandra seria o quasar encoberto mais distante já visto, 850 milhões de anos após o Big Bang. O recordista anterior foi observado 1,3 mil milhões de anos após o Big Bang.

Os autores planeiam prosseguir com mais observações a fim de aprender mais.

“Com uma observação mais longa do Chandra, podemos obter uma estimativa melhor de quão encoberto está este buraco negro,” disse o co-autor Franz Bauer, também da Pontificia Universidad Católica de Chile e membro associado do Millenium Institute de Astrofísica, “e fazer uma identificação confiante da fonte de raios-X com o quasar conhecido ou com a galáxia companheira.”

Os autores também planeiam procurar mais exemplos de buracos negros altamente obscurecidos.

“Nós suspeitamos que a maioria dos buracos negros super-massivos no Universo inicial está encoberta: é, pois, crucial detectá-los e estudá-los para entender como podem crescer até massas de mil milhões de sóis tão rapidamente,” comentou o co-autor Roberto Gilli do INAF em Bolonha, Itália.

O artigo que descreve estes resultados foi aceite para publicação na revista Astronomy and Astrophysics e está disponível online.

Astronomia On-line
13 de Agosto de 2019

 

2291: Raios-X assinalam buracos negros através do oceano cósmico

Os astrónomos utilizaram o Chandra para medir a rotação de cinco quasares, cada um consistindo de um buraco negro super-massivo que consome rapidamente matéria de um disco de acreção circundante. O efeito da lente gravitacional de cada um destes quasares, por uma galáxia interveniente, criou várias imagens de cada quasar, como visto nestas imagens do Chandra de quatro dos alvos. A matéria num destes vórtices cósmicos gira a mais de 70% da velocidade da luz.
Crédito: NASA/CXC/Universidade do Oklahoma/X. Dai et al.

Como redemoinhos no oceano, os buracos negros giratórios no espaço criam uma torrente rodopiante em seu redor. No entanto, os buracos negros não criam redemoinhos de vento ou água. Ao invés, produzem discos de gás e poeira aquecidos a centenas de milhões de graus que brilham em raios-X.

Usando dados do Observatório de raios-X Chandra da NASA e alinhamentos fortuitos ao longo de milhares de milhões de anos-luz, os astrónomos utilizaram uma nova técnica para medir a rotação de cinco buracos negros super-massivos. A matéria num destes vórtices cósmicos gira a mais de 70% da velocidade da luz.

Os astrónomos tiraram proveito de um fenómeno natural conhecido como lente gravitacional. Com o alinhamento certo, a flexão do espaço-tempo por um objecto massivo, como por exemplo uma galáxia grande, pode ampliar e produzir imagens múltiplas de um objecto distante, como previsto por Einstein.

Nesta mais recente investigação, os astrónomos usaram o Chandra e o efeito de lentes gravitacionais para estudar seis quasares, cada um consistindo de um buraco negro super-massivo que consome rapidamente matéria de um disco de acreção circundante. O efeito da lente gravitacional de cada um destes quasares, por uma galáxia interveniente, criou várias imagens de cada quasar, como visto nestas imagens do Chandra de quatro dos alvos. Para separar as imagens de cada quasar foi necessária a capacidade do Chandra em obter imagens muito detalhadas.

O principal avanço feito pelos investigadores neste estudo foi que tiraram proveito das “micro-lentes”, onde estrelas individuais na galáxia interveniente forneceram uma ampliação adicional da luz do quasar. Uma ampliação maior significa que uma região mais pequena está a produzir a emissão de raios-X.

Os cientistas, seguidamente, usaram a propriedade de que um buraco negro giratório arrasta o espaço em seu redor e permite que a matéria orbite mais perto do buraco negro do que é possível para um buraco negro não giratório. Portanto, uma região emissora mais pequena, correspondente a uma órbita rígida, geralmente implica um buraco negro com maior rotação. Os autores concluíram, a partir da sua análise de micro-lentes, que os raios-X vêm de uma região tão pequena que os buracos negros devem estar a girar muito depressa.

Os resultados mostraram que um dos buracos negros, no quasar de lente chamado “Cruz de Einstein”, está a girar ao (ou quase) ritmo máximo possível. Isto corresponde ao horizonte de eventos, o ponto de não retorno do buraco negro, girando à velocidade da luz, 300.000 km/s. Quatro outros buracos negros na amostra estão a girar, em média, a cerca de metade dessa velocidade (o sexto não permitiu uma estimativa da rotação).

Para a Cruz de Einstein a emissão de raios-X é de uma parte do disco inferior a 2,5 vezes o tamanho do horizonte de eventos, e para os outros 4 quasares os raios-X vêm de uma região com quatro a cinco vezes o tamanho do horizonte de eventos.

Como é que estes buracos negros podem girar tão depressa? Os investigadores pensam que estes buracos negros super-massivos cresceram, provavelmente, acumulando a maior parte do seu material ao longo de milhares de milhões de anos a partir de um disco de acreção com orientação e direcção de rotação semelhantes, em vez de direcções aleatórias. Como um carrossel que continua a ser empurrado na mesma direcção, os buracos negros continuaram a ganhar velocidade.

Os raios-X detectados pelo Chandra são produzidos quando o disco de acreção em redor do buraco negro cria uma nuvem, ou coroa, com vários milhões de graus, acima do disco perto do buraco negro. Os raios-X desta coroa são reflectidos da orla interna do disco de acreção e as fortes forças gravitacionais perto do buraco negro distorcem o espectro reflectido de raios-X, isto é, a quantidade de raios-X vistos a diferentes energias. As grandes distorções vistas nos espectros de raios-X dos quasares aqui estudados implicam que a orla interna do disco deve estar próxima dos buracos negros, mais evidências de que devem estar a girar depressa.

Os quasares estão localizados a distâncias que variam de 8,8 a 10,9 mil milhões de anos-luz, e os buracos negros têm massas entre 160 e 500 milhões de vezes a do Sol. Estas observações de quasares sob o efeito de lentes gravitacionais foram as mais longas já feitas com o Chandra, com tempos totais de exposição que variam entre 1,7 e 5,4 dias.

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na edição de 2 de julho da revista The Astrophysical Journal e está disponível online.

Astronomia On-line
9 de Julho de 2019

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2098: Encontradas 30 estrelas sem-abrigo à deriva. Foram expulsas da sua galáxia

NASA

Recentemente, 30 sistemas estelares binários foram detectados perto de um aglomerado de galáxias a 62 milhões de anos-luz da Terra.

Quando duas estrelas se apaixonam (e são suficientemente massivas e suficientemente próximas), podem começar a estabilizar-se. Os astrónomos chamam-lhes sistemas estelares binários, porque fazem tudo juntas: orbitam um em redor do outro, juntam os seus gases e, às vezes, até ressuscitam juntos.

É bonito, mas nem sempre é bom. Por vezes, um membro do par pode ser castigado pelo comportamento tóxico do parceiro. De acordo com um estudo recentemente publicado no The Astrophysical Journal, os pares encontrados foram expulsos das suas galáxias quando uma das estrelas colapsou contra uma estrela de neutrões e criou uma explosão tão poderosa que enviou os parceiros binários para o espaço interestelar.

“É como um convidado que é expulso de uma festa com um amigo barulhento”, disse o principal autor do estudo, Xiangyu Jin, da Universidade McGill, em Montreal, no Canadá, em comunicado. “A estrela companheira nesta situação é arrastada para fora da galáxia simplesmente porque está em órbita com a estrela que se tornou numa super-nova.”

Jin e os seus colegas descobriram os exilados estelares enquanto estudavam 15 anos de dados de emissão de raios X colectados pelo Chandra X-ray Observatory da NASA. A equipa ampliou o aglomerado de Fornax, um grupo de mais de 50 galáxias conhecidas localizadas na constelação Fornax.

Certos padrões de emissão contam a história de sistemas estelares binários em que um dos parceiros entrou em colapso numa estrela de neutrões, sugou cargas de gás e poeira da sua estrela parceira para um disco em órbita e super-aqueceu o disco a dezenas de milhões de graus.

Os discos quentes eram visíveis apenas na luz dos raios X, de acordo com os investigadores, e cerca de 30 das assinaturas de raios X detectadas vieram de fora dos limites de qualquer galáxia conhecida.

A equipa concluiu que os sistemas brilhantes eram provavelmente um par de uma estrela de neutrões e uma de não-neutrões que tinham sido catapultadas para fora da galáxia de origem quando a estrela de neutrões entrou em colapso.

Trinta pares de estrelas sem-abrigo podem parecer muito, mas provavelmente há inúmeros outro. Os investigadores detectaram cerca de 200 fontes peculiares de emissões de raios-X em Fornax, mas muitas delas estavam demasiado longe para serem resolvidas.

ZAP //

Por ZAP
3 Junho, 2019



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2087: Chandra descobre pares estelares banidos das suas galáxias

Estrelas binárias expelidas do enxame da Fornalha.
Crédito: NASA/CXC/Universidade de Nanjing/X. Jin et al.

Cientistas descobriram evidências de que pares de estrelas foram expulsas das suas galáxias hospedeiras. Esta descoberta, que recorreu a dados do Observatório de raios-X Chandra da NASA, é um dos exemplos mais claros de pares estelares expelidos da sua base galáctica.

Os astrónomos usam o termo sistema “binário” quando se referem a pares de estrelas que se orbitam umas às outras. Esses pares estelares podem consistir de combinações de estrelas como o nosso Sol, ou variedades mais exóticas e mais densas, como estrelas de neutrões ou até mesmo buracos negros.

As estrelas de neutrões formam-se quando uma estrela massiva explode como uma super-nova e o núcleo da estrela colapsa sobre si próprio. Sob certas condições, estas explosões gigantescas que criam a estrela de neutrões não são simétricas. O efeito de recuo pode “chutar” a estrela com tanta força que é expelida da galáxia onde reside. Estes novos resultados do Chandra mostram que, às vezes, uma estrela companheira é também forçada a sair da galáxia.

“É como um convidado que pede para sair de uma festa com um amigo barulhento,” disse Xiangyu Jin, da Universidade McGill em Montreal, Canadá, que liderou o estudo. “A estrela companheira nesta situação é arrastada para fora da galáxia simplesmente porque está em órbita com a estrela que entrou em super-nova.”

Como é que os astrónomos procuram estes pares banidos? Se a estrela companheira estiver suficientemente perto, então a sua matéria espirala em direcção à estrela de neutrões mais densa e forma um disco em seu redor. As fortes forças gravitacionais da estrela de neutrões fazem com que o material neste disco se mova mais depressa à medida que se aproxima da estrela de neutrões e as forças de atrito no disco aquecem-no até dezenas de milhões de graus. A estas temperaturas, o disco brilho em raios-X.

Jin e colaboradores encontraram assinaturas dos chamados binários de raios-X fora das galáxias num estudo abrangente do enxame de galáxias da Fornalha feito com dados do Chandra, obtidos entre 1999 e 2015. Este enxame está relativamente próximo, a cerca de 60 milhões de anos-luz da Terra, na direcção da constelação que partilha o seu nome.

Combinando o grande conjunto de dados do Chandra com observações ópticas, os investigadores fizeram um censo de fontes de raios-X até 600.000 anos-luz da galáxia central do enxame da Fornalha. Os astrónomos concluíram que cerca de 30 fontes no enxame da Fornalha provavelmente seriam pares de estrelas expulsas do centro das suas galáxias hospedeiras.

“Em vez de ficarem amarradas a uma galáxia em particular, estes pares de estrelas existem agora no espaço entre as galáxias, ou estão a sair da sua galáxia,” disse a co-autora Meicun Hou, da Universidade de Nanjing, na China.

A equipa também descobriu outras 150 fontes que parecem estar fora dos limites estelares das galáxias do enxame. No entanto, as suas origens parecem ser outras além da expulsão. Uma possibilidade é que residem nos halos, ou nos limites externos, da galáxia central do enxame da Fornalha, onde se formaram. Uma segunda possibilidade é que são binários de raios-X que foram afastados de uma galáxia pela força gravitacional de uma galáxia próxima durante uma passagem rasante, ou binários de raios-X deixados para trás como parte dos remanescentes de uma galáxia desprovida da maioria das suas estrelas por uma colisão galáctica. Espera-se que tais interacções sejam relativamente comuns numa região tão povoada como a do enxame galáctico da Fornalha.

“Isto é como o fim de uma festa em que os participantes partem em direcções diferentes e só os anfitriões é que ficam para trás,” disse Zhenlin Zhu, também da Universidade de Nanjing. “No caso da Fornalha, o caso extremo é que as galáxias originais realmente não existem mais.”

As observações do Chandra envolveram um tempo total de exposição de 15 dias, permitindo à equipa descobrir 1177 fontes de raios-X na sua região de pesquisa, que cobre 29 galáxias do enxame da Fornalha. A equipa estimou quantas dessas fontes provavelmente pertencem a galáxias do enxame e quantas são fontes muito mais distantes que não pertencem ao aglomerado. Isto deixou-os com cerca de 180 fontes localizadas bem para lá das principais regiões estelares das galáxias do enxame.

“Embora estejamos muito animados com o que descobrimos, os nossos dados sugerem que podem haver muitos mais destes binários expulsos demasiado fracos para serem vistos nos dados do Chandra,” explicou o co-autor Zhiyuan Li, também da Universidade de Nanjing. “Vamos precisar de mais observações do Chandra para detectar essa população de fontes mais fracas.”

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na edição de 1 de maio de 2019 da revista The Astrophysical Journal e pode ser consultado online.

Astronomia On-line
31 de Maio de 2019

886: ENCONTRANDO BURACOS NEGROS DE MASSA INTERMÉDIA

O levantamento COSMOS Legacy mostra dados que forneceram evidências para a existência de buracos negros de massa intermédia.
Crédito: raios-X – NASA/CXC/ICE/M. Mezcua et al.; infravermelho – NASA/JPL-Caltech; ilustração – NASA/CXC/A. Hobart

Os cientistas deram passos importantes na sua busca para encontrar buracos negros que não são nem muito pequenos nem extremamente grandes. A descoberta destes elusivos buracos negros de massa intermédia pode ajudar os astrónomos a melhor compreender as “sementes” dos maiores buracos negros do Universo primitivo.

A nova investigação surge de dois estudos separados, cada um usando dados do Observatório de raios-X Chandra da NASA e de outros telescópios.

Os buracos negros que contêm entre cem e várias centenas de milhares de vezes a massa do Sol são chamados buracos negros de “massa intermédia” (IMBHs, sigla inglesa para “intermediate mass black holes”). Isto porque a sua massa os coloca entre os bem documentados e frequentemente estudados buracos negros de “massa estelar”, numa extremidade da escala de massa, e na outra os “buracos negros supermassivos” encontrados nas regiões centrais de galáxias massivas.

Embora tenham sido relatados nos últimos anos vários possíveis IMBHs, os astrónomos ainda estão a tentar determinar quão comuns são e o que as suas propriedades nos ensinam sobre a formação dos primeiros buracos negros supermassivos.

Uma equipa de cientistas usou uma grande campanha de pesquisa chamada Chandra COSMOS-Legacy para estudar galáxias anãs que contêm menos de 1% das estrelas na nossa Via Láctea (COSMOS é uma abreviação de “Cosmic Evolution Survey”). A caracterização destas galáxias foi tornada possível pelo rico conjunto de dados disponíveis para o campo COSMOS em diferentes comprimentos de onda, incluindo dados de telescópios da NASA e da ESA.

Os dados do Chandra foram cruciais para esta investigação porque uma fonte brilhante e pontual de emissão de raios-X, perto do centro de uma galáxia, é um sinal revelador da presença de um buraco negro. Os raios-X são produzidos por gás aquecido a milhões de graus pelas enormes forças gravitacionais e magnéticas próximas do buraco negro.

“Podemos ter descoberto que as galáxias anãs são um paraíso para estes buracos negros intermédios,” comenta Mar Mezcua do Instituto de Ciências Espaciais da Espanha, que liderou um dos estudos. “Nós não encontrámos apenas um punhado de IMBHs – podemos ter encontrado dúzias.”

A sua equipa identificou quarenta buracos negros em crescimento em galáxias anãs. Doze deles estão localizados a uma distância superior a 5 mil milhões de anos-luz da Terra e o mais distante está a 10,9 mil milhões de anos-luz, o buraco negro em crescimento mais distante jamais visto numa galáxia anã. Uma das galáxias anãs é a galáxia menos massiva que se sabe abrigar um buraco negro no seu centro.

A maioria destas fontes são provavelmente IMBHs com massas que variam entre 10 mil e 100 mil vezes a massa do Sol. Um resultado crucial desta pesquisa é que a fracção de galáxias com buracos negros em crescimento é menor para galáxias menos massivas do que para as suas homólogas mais massivas.

Uma segunda equipa liderada por Igor Chilingarian do Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica em Cambridge, no estado norte-americano de Massachusetts, encontrou uma amostra separada e importante de possíveis IMBHs em galáxias mais próximas da Via Láctea. Na sua amostra, o candidato mais distante a IMBH encontra-se a aproximadamente 2,8 mil milhões de anos-luz e cerca de 90% dos candidatos que descobriram não está a mais do que 1,3 mil milhões de anos-luz de distância.

Com dados do SDSS (Sloan Digital Sky Survey), Chilingarian e colegas descobriram galáxias com a assinatura óptica de buracos negros em crescimento e, em seguida, estimaram a sua massa. Seleccionaram 305 galáxias com propriedades que sugeriam um buraco negro com uma massa inferior a 300.000 vezes a massa do Sol, espreitando nas regiões centrais de cada uma dessas galáxias.

Apenas 18 membros desta lista continham observações de raios-X de alta qualidade que permitiram a confirmação de que as fontes são buracos negros. Foram obtidas detecções com o Chandra e com o XMM-Newton para 10 fontes, mostrando que aproximadamente metade dos 305 candidatos a IMBH são provavelmente IMBHs válidos. As massas das dez fontes detectadas com observações de raios-X têm massas determinadas entre 40.000 e 300.000 vezes a massa do Sol.

“Esta é a maior amostra de buracos negros de massa intermédia já encontrada,” comenta Chilingarian. “Este tesouro de buracos negros pode ser usado para abordar um dos maiores mistérios da astrofísica.”

Os IMBHs podem explicar como os maiores buracos negros, os supermassivos, foram capazes de se formar tão rapidamente após o Big Bang. Uma explicação diz que os buracos negros supermassivos crescem ao longo do tempo a partir de buracos negros menores, “sementes” com cerca de 100 vezes a massa do Sol. Algumas destas sementes devem fundir-se para formar IMBHs. Outra explicação diz que se formam muito rapidamente a partir do colapso de uma gigantesca nuvem de gás com uma massa igual a centenas de milhares de vezes a do Sol.

Mezcua e a sua equipa podem estar a ver evidências a favor da ideia de colapso directo, porque esta hipótese prevê que as galáxias menos massivas na sua amostra têm uma probabilidade mais baixa de conter IMBHs.

“As nossas evidências são apenas circunstanciais porque é possível que os IMBHs sejam igualmente comuns nas galáxias mais pequenas, mas não estejam a consumir matéria suficiente para serem detectados como fontes de raios-X,” diz a co-autora de Mezcua, Francesca Civano do Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica.

A equipa de Chilingarian tem uma conclusão diferente.

“Argumentamos que meramente a presença de buracos negros de massa intermédia, na gama de massas que detectámos, sugere a existência de buracos negros mais pequenos com massas equivalentes a várias centenas de sóis,” comenta o co-autor de Chilingarian, Ivan Yu. Katkov da Universidade Estatal de Moscovo, Rússia. “Estes buracos negros mais pequenos podem ser as sementes da formação dos buracos negros supermassivos.”

Outra possibilidade é a ocorrência de ambos os mecanismos. Ambas as equipas concordam que, para fazer conclusões firmes, são necessárias amostras muito maiores de buracos negros, usando dados de satélites futuros. O artigo por Mar Mezcua e colegas foi publicado na edição de Agosto da revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society e está disponível online. O artigo por Igor Chilingarian foi recentemente aceite para publicação na revista The Astrophysical Journal e está também disponível online.

Astronomia online
17 de Agosto de 2018

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782: RAIOS-X PODEM SER AS PRIMEIRAS EVIDÊNCIAS DE UMA ESTRELA A DEVORAR UM PLANETA

Esta impressão de artista ilustra a destruição de um planeta jovem, que os cientistas podem ter testemunhado pela primeira vez.
Crédito: NASA/CXC/M. Weiss

Há já quase um século que os astrónomos investigam a curiosa variabilidade de jovens estrelas que residem na região de Touro-Cocheiro a cerca de 450 anos-luz da Terra. Uma estrela em particular chamou a atenção dos cientistas. A cada poucas décadas, a luz da estrela diminui brevemente antes de aumentar novamente.

Nos últimos anos, os astrónomos observaram a estrela a diminuir de brilho com mais frequência, e por períodos mais longos, levantando a questão: o que é obscurece repetidamente a estrela? A resposta, pensam os astrónomos, pode lançar luz sobre alguns dos processos caóticos que ocorrem no início do desenvolvimento de uma estrela.

Agora, físicos do MIT e de outras instituições observaram a estrela, de nome RW Aur A, com o Observatório de raios-X Chandra da NASA. Eles encontraram evidências do que pode ter provocado o seu mais recente evento de escurecimento: uma colisão entre dois corpos planetários infantis, que produziu no seu rescaldo uma densa nuvem de gás e poeira. Quando esses destroços planetários caíram na estrela, formaram um véu espesso, obscurecendo temporariamente a luz da estrela.

“As simulações de computador prevêem há muito que os planetas podem cair para uma estrela jovem, mas nunca tínhamos observado isso antes,” comenta Hans Moritz Guenther, investigador do Instituto kavli para Astrofísica e Investigação Espacial do MIT, que liderou o estudo. “Se a nossa interpretação dos dados estiver correta, esta será a primeira vez que observamos directamente uma estrela jovem a devorar um planeta ou planetas.”

Os anteriores eventos de escurecimento da estrela podem ter sido provocados por colisões similares, quer seja entre dois corpos planetários, quer seja entre remanescentes maiores de colisões passadas que se encontraram de frente e depois se separaram novamente.

“É especulação, mas se temos uma colisão entre dois fragmentos, é provável que depois ganhem órbitas perigosas, o que aumenta a probabilidade de que atinjam outra vez outros objectos,” realça Guenther.

Guenther é o autor principal de um artigo que divulga os resultados do grupo, publicado na revista The Astronomical Journal. Os co-autores são David Huenemoerder e David Principe do MIT, investigadores do Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica e colaboradores na Alemanha e Bélgica.

Um encobrimento estelar

Os cientistas que estudam o desenvolvimento inicial de estrelas frequentemente observam as Nuvens Escuras de Touro-Cocheiro, uma concentração de nuvens moleculares nas constelações de Touro e Cocheiro que abrigam berçários estelares com milhares de estrelas infantis. As estrelas jovens formam-se a partir do colapso gravitacional de gás e poeira no interior destas nuvens. As estrelas muito jovens, ao contrário do nosso Sol comparativamente maduro, ainda estão rodeadas por um disco giratório de detritos, incluindo gás, poeira e aglomerados de material que variam em tamanho, desde pequenos grãos de poeira a pedregulhos, e possivelmente até planetas bebés.

“Se tivermos em consideração o nosso Sistema Solar, temos planetas e não um disco enorme em redor do Sol,” explica Guenther. “Estes discos duram talvez 5 a 10 milhões de anos e, em Touro, há muitas estrelas que já perderam o seu disco, mas algumas ainda o têm. Se quisermos saber o que acontece nos estágios finais da dispersão deste disco, Touro é um dos locais onde os podemos encontrar.”

Guenther e colegas focam-se em estrelas jovens o suficiente para ainda hospedar discos. Estava particularmente interessado em RW Aur A, que está no limite mais antigo da faixa etária das estrelas jovens, pois estima-se que tenha vários milhões de anos. RW Aur A faz parte de um sistema duplo, o que significa que orbita outra estrela jovem, RW Aur B. Ambas as estrelas têm aproximadamente a mesma massa que o Sol.

Desde 1937 que os astrónomos têm registado quedas notáveis no brilho de RW Aur A a cada poucas décadas. Cada evento de escurecimento parecia durar mais ou menos um mês. Em 2011, a estrela diminui novamente de brilho, desta vez durante aproximadamente meio ano. A estrela eventualmente aumentou de brilho, só para desvanecer outra vez em meados de 2014. Em Novembro de 2016, a estrela retornou à sua plena luminosidade.

Os astrónomos propuseram que este escurecimento é provocado por um fluxo passageiro de gás na orla externa do disco da estrela. Outros ainda teorizaram que a queda de brilho se deve a processos que ocorrem mais perto do centro da estrela.

“Nós queríamos estudar o material que cobre a estrela, que de alguma forma está provavelmente relacionado com o disco,” realça Guenther. “É uma oportunidade rara.”

Uma assinatura de ferro

Em Janeiro de 2017, RW Aur A diminui novamente de brilho e a equipa usou o Observatório de raios-X Chandra da NASA para registar a emissão de raios-X da estrela.

“Os raios-X vêm da estrela e o espectro de raios-X muda à medida que passa pelo gás no disco,” explica Guenther. “Estamos à procura de certas assinaturas que o gás imprime no espectro de raios-X.”

No total, o Chandra quase 14 horas de dados de raios-X da estrela. Depois de os analisarem, os cientistas obtiveram várias revelações surpreendentes: o disco da estrela hospeda uma grande quantidade de material; a estrela é muito mais quente do que o esperado; e o disco contém muito mais ferro do que o esperado – não tanto ferro como na Terra, mas mais do que, digamos, uma típica lua no nosso Sistema Solar (a nossa Lua, no entanto, tem muito mais ferro do que os cientistas estimaram no disco da estrela).

Este último ponto foi o mais intrigante para a equipa. Normalmente, um espectro de raios-X de uma estrela pode mostrar vários elementos, como o oxigénio, ferro, silício e magnésio, e a quantidade de cada elemento presente depende da temperatura no interior do disco de uma estrela.

“Aqui, vemos muito mais ferro, pelo menos 10 vezes mais do que antes, o que é muito invulgar, porque normalmente as estrelas activas e quentes têm menos ferro do que as outras, ao passo que esta tem mais,” salienta Guenther. “De onde vem todo este ferro?”

Os investigadores especulam que este excesso de ferro pode ter vindo de duas possíveis fontes. A primeira é um fenómeno conhecido como armadilha de pressão de poeira, na qual pequenos grãos ou partículas como ferro podem ficar presas nas “zonas mortas” de um disco. Se a estrutura do disco mudar repentinamente, como quando a estrela parceira passar perto, as forças de maré resultantes podem libertar as partículas presas, formando um excesso de ferro que pode cair para a estrela.

A segunda teoria é, para Guenther, a mais convincente. Neste cenário, o excesso de ferro é criado quando dois planetesimais, ou corpos planetários infantis, colidem, libertando uma espessa nuvem de partículas. Se um ou ambos os planetas forem compostos parcialmente de ferro, a sua colisão pode expelir uma grande quantidade de ferro para o disco e obscurecer temporariamente a luz quando o material cai na estrela.

“Existem muitos processos que ocorrem em estrelas jovens, mas estes dois cenários podem possivelmente produzir algo que se parece com o que observámos,” explica Guenther.

Ele espera fazer, no futuro, mais observações da estrela, a fim de ver se a quantidade de ferro em redor da estrela mudou – uma medição que poderá ajudar os cientistas a determinar o tamanho da fonte de ferro. Por exemplo, se for detectada a mesma quantidade de ferro, digamos, daqui a um ano, isso pode indicar que o ferro vem de uma fonte relativamente massiva, como uma grande colisão planetária, ao invés da baixa abundância de ferro no disco.

“Actualmente fazem-se muitos esforços para aprender mais sobre exoplanetas e sobre a sua formação, de modo que é obviamente muito importante ver como os planetas jovens podem ser destruídos em interacções com as suas estrelas hospedeiras e com outros planetas, e quais os factores que determinam a sua sobrevivência,” conclui Guenther.

Astronomia On-line
20 de Julho de 2018

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“PEPITAS VERMELHAS” SÃO OURO GALÁCTICO PARA OS ASTRÓNOMOS

Impressão de artista e imagem de raios-X da “pepita vermelha” MRK 1216.
Crédito: raios-X – NASA/CXC/Universidade MTA-Eötvös/N. Werner et al.; ilustração – NASA/CXC/M. Weiss

Há cerca de uma década, os astrónomos descobriram uma população de galáxias pequenas, mas massivas, a que chamaram “red nuggets” (pepitas vermelhas). Um novo estudo com o Observatório de raios-X Chandra da NASA indica que os buracos negros “esmagaram” a formação das estrelas nessas galáxias e podem ter usado parte do seu combustível estelar para crescer até proporções invulgarmente massivas.

As “pepitas vermelhas” foram descobertas pela primeira vez pelo Telescópio Espacial Hubble a grandes distâncias da Terra, correspondendo a épocas apenas três ou quatro mil milhões de anos após o Big Bang. São relíquias das primeiras galáxias massivas que se formaram apenas mil milhões de anos após o Big Bang. Os astrónomos pensam que são os antepassados das gigantescas galáxias elípticas vistas no Universo local. As massas das pepitas vermelhas são semelhantes às das galáxias elípticas gigantes, mas têm apenas mais ou menos um-quinto do seu tamanho.

Enquanto a maioria das pepitas vermelhas se fundiu com outras galáxias ao longo de milhares de milhões de anos, um pequeno número conseguiu escapar intocado ao longo da história do cosmos. Estas pepitas vermelhas ilesas representam uma oportunidade única para estudar como as galáxias, e o buraco negro super-massivo nos centros, se comportam ao longo de milhares de milhões de anos de isolamento.

Pela primeira vez, o Chandra foi usado para estudar o gás quente em duas destas pepitas vermelhas isoladas, MRK 1216 e PGC 032873. Encontra-se a apenas 295 milhões e 344 milhões de anos-luz da Terra, respectivamente, em vez de milhares de milhões de anos-luz para as primeiras pepitas vermelhas conhecidas. O gás quente emissor de raios-X contém a impressão da actividade gerada pelos buracos negros super-massivos em cada uma das duas galáxias.

“Estas galáxias existem há 13 mil milhões de anos sem nunca terem interagido com outras do seu tipo,” comenta Norbert Werner do Grupo Lendület de Investigação de Astrofísica e do Universo Quente da Universidade MTA-Eötvös em Budapeste, Hungria, que liderou o estudo. “Estamos a descobrir que os buracos negros nestas galáxias assumem o controlo e o resultado não é bom para novas estrelas que tentam formar-se.”

Os astrónomos sabem há muito que o material que cai em direcção a um buraco negro pode ser redireccionado para fora a altas velocidades devido aos intensos campos gravitacionais e magnéticos. Estes jactos velozes podem desligar a formação estelar. Isto acontece porque as explosões da vizinhança do buraco negro fornecem uma poderosa fonte de calor, impedindo que o gás interestelar quente da galáxia arrefeça o suficiente para permitir que um grande número de estrelas se forme.

A temperatura do gás quente é maior no centro da galáxia MRK 1216 em comparação com os seus arredores, mostrando os efeitos do aquecimento recente pelo buraco negro. Além disso, a emissão de rádio é observada a partir do centro da galáxia, uma assinatura de jactos de buracos negros. Finalmente, a emissão de raios-X da vizinhança do buraco negro é cerca de cem milhões de vezes menor do que o limite teórico de quão rápido um buraco negro pode crescer – chamado “limite de Eddington” – onde a pressão externa da radiação é balançada pela atracção da gravidade para o interior. Este baixo nível de emissão de raios-X é típico dos buracos negros que produzem jactos. Todos estes factores fornecem fortes evidências de que as actividades geradas pelos buracos negros super-massivos nestas galáxias pepitas vermelhas está a suprimir a formação de novas estrelas.

Os buracos negros e o gás quente podem ter outra ligação. Os autores sugerem que grande parte da massa do buraco negro pode ter-se acumulado a partir do gás quente que envolve ambas as galáxias. Os buracos negros de MRK 1216 e PGC 032873 estão entre os mais massivos conhecidos, com massas estimadas em aproximadamente 5 mil milhões de vezes a massa do Sol, com base em observações ópticas das velocidades das estrelas perto dos centros das galáxias. Além do mais, estima-se que a massa do buraco negro de MRK 1216 e possivelmente a do de PGC 032873 correspondam a uma baixa percentagem das massas combinadas de todas as estrelas nas regiões centrais das galáxias, enquanto na maioria das galáxias, a proporção é cerca de dez vezes mais pequena.

“Aparentemente, deixados à sua própria sorte, os buracos negros podem agir como ‘bullies’,” diz a co-autora Kiran Lakhchaura, também da Universidade MTA-Eötvös.

“Não apenas impedem a formação de novas estrelas,” diz o co-autor Massimo Gaspari, da Universidade de Princeton, “como também ‘pegam’ em algum desse material e usam-no como alimento.”

Em adição, o gás quente dentro e em redor de PGC 032873 é cerca de dez vezes mais fraco do que o gás quente em redor de MRK 1216. Dado que ambas as galáxias parecem ter evoluído isoladamente ao longo dos últimos 13 mil milhões de anos, esta diferença pode ter surgido no passado a partir de explosões mais ferozes do buraco negro de PGC 032873, que dissipou a maior parte do gás quente.

“Os dados do Chandra dizem-nos mais sobre como foi esta longa e solitária viagem através do tempo cósmico para estas galáxias,” afirma a co-autora Rebecca Canning da Universidade de Stanford. “Embora as galáxias não tenham interagido com outras, mostram muita agitação interna.”

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na edição mais recente da revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society e está disponível online.

Astronomia On-line
26 de Junho de 2018

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673: Investigadores descobrem o melhor sinal de um buraco negro raro

 

O observatório XMM-Newton da ESA descobriu aquele que até agora é o melhor candidato para um fenómeno cósmico raro: um buraco negro de massa intermédia (IMBH) no processo de despedaçar e devorar uma estrela próxima.

Dados do Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA (amarelo-branco) e do Observatório de Raios-X Chandra da NASA (roxo). A fonte branco-roxa no canto inferior esquerdo mostra a emissão de raios-X dos restos de uma estrela que foi despedaçada quando caiu em direcção a um buraco negro de massa intermédia. A galáxia hospedeira do buraco negro está localizada no meio da imagem. Créditos: X-ray: NASA/CXC/UNH/D.Lin et al, Optical: NASA/ESA/STScI.

No Universo, há vários tipos de buracos negros: as estrelas massivas, quando morrem, criam buracos negros de massa estelar, por sua vez, as galáxias albergam nos seus centros buracos negros super-massivos, com massas equivalentes a milhões ou milhares de milhões de sóis.

Entre esses dois extremos temos os buracos negros com massa intermédia, mais raros. Pensa-se que eventualmente irão crescer para se tornarem buracos negros super-massivos, e como são especialmente difíceis de detectar, foram até agora encontrados poucos candidatos.

Usando dados de raios-X do Observatório XMM-Newton, da ESA, do Observatório Chandra de Raios-X, da NASA, e do Telescópio de Raios-X Swift, da NASA, uma equipa de investigadores encontrou um raro e revelador sinal de actividade, mais precisamente, um enorme clarão de radiação, nos limites de uma galáxia distante, lançado quando uma estrela passou muito perto de um buraco negro e foi devorada.

“Isso é incrivelmente estimulante: este tipo de buraco negro nunca tinha sido visto de uma forma tão clara”, disse Dacheng Lin, da Universidade de New Hampshire, EUA. “Tinham sido encontrados alguns candidatos, mas no geral são extremamente raros e muito procurados. Este é o melhor candidato a buraco negro de massa intermédia observado até agora.”

Pensa-se que este tipo de buraco negro se pode formar de várias maneiras. Um dos cenários de formação é a rápida fusão de estrelas massivas que se encontram em enxames estelares densos, o que torna os centros destes enxames nos melhores lugares para procurar este tipo de buracos negros. No entanto, no momento da formação, estas áreas tendem a estar desprovidas de gás, ficando os novos buracos negros sem material para consumir e, consequentemente, emitindo pouca radiação – o que os torna extremamente difíceis de detectar.

“Um dos poucos métodos que podemos usar para tentar encontrar um buraco negro de massa intermédia é esperar que uma estrela passe perto dele e comece a ser despedaçada – isto abre novamente o apetite do buraco negro levando-o a emitir um clarão que podemos observar,” acrescentou Lin. “Este tipo de evento só tinha antes sido visto claramente no centro de uma galáxia, não nos limites mais exteriores.”

A fonte de raios-X 3XMM J215022.4-055108, vista pelo XMM-Newton em 2006 (esquerda) e 2009 (direita). Este é o melhor candidato de sempre para um buraco negro de massa intermédia no processo de despedaçar e devorar uma estrela próxima e durante o qual emitiu uma enorme quantidade de luz. A comparação entre as duas imagens mostra como a explosão de energia libertada pelo poderoso evento diminuiu gradualmente ao longo dos anos. Crédito: ESA.

Lin e a equipa analisaram dados do XMM-Newton até encontrarem o candidato. Identificaram-no em observações, realizadas em 2006 e 2009, de uma grande galáxia situada a cerca de 740 milhões de anos-luz, e ainda em outros dados do Chandra (2006 e 2016) e do Swift (2014).

“Também analisámos imagens da galáxia obtidas por vários outros telescópios, para vermos como era a emissão em termos ópticos”, disse Jay Strader, da Michigan State University, EUA, co-autor do estudo.

“Vimos a fonte a brilhar em duas imagens de 2005 – parecia muito mais azul e brilhante do que era alguns anos antes. Comparando todos os dados, determinámos que a infeliz estrela foi provavelmente despedaçada em Outubro de 2003, e que produziu uma explosão de energia que decaiu ao longo dos 10 anos seguintes.”

Os cientistas acreditam que a estrela foi despedaçada por um buraco negro com uma massa aproximada de cinquenta mil sóis.

Estas explosões desencadeadas por estrelas só muito raramente acontecem para este tipo de buraco negro, pelo que a descoberta sugere que pode haver muitos mais em estado adormecido nas periferias das galáxias do Universo local.

“Este candidato foi descoberto através de uma investigação intensiva no X-ray Source Catalog do XMM-Newton, que está repleto de dados de alta qualidade, cobrindo grandes áreas do céu, essenciais para determinar o tamanho do buraco negro e o que causou a explosão de radiação observada,” disse Norbert Schartel, Cientista do Projecto XMM-Newton, ESA.

“O X-ray Source Catalog do XMM-Newton é atualmente o maior catálogo deste tipo, contendo mais de meio milhão de fontes: há objectos exóticos, como o do nosso estudo, ainda escondidos e à espera de serem descobertos através de análise intensiva de dados,” acrescentou Natalie Webb, diretora do Survey Science Center  do XMM-Newton no Instituto de Pesquisa em Astrofísica e Planetologia (IRAP), em Toulouse, França, co-autora do estudo.

“Sabermos mais sobre estes objectos e os fenómenos a eles associados é fundamental para compreendermos melhor os buracos negros. Os nossos modelos actuais podem ser comparados a um cenário em que uma civilização alienígena observa a Terra e vê os avós a deixarem os netos na pré-escola: podem assumir que existe mais qualquer ligação pelo meio, que se adeqúe ao modelo que têm da duração da vida humana, mas sem observarem essa ligação, não podem ter a certeza. Esta descoberta é incrivelmente importante e mostra que o método que estamos a usar é um bom método,” concluiu Norbert.

Fonte da notícia: Phys.org

Portal do Astrónomo
Teresa Direitinho
19 Junho, 2018

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642: CHANDRA EXPLORA SISTEMA ESTELAR MAIS PRÓXIMO EM BUSCA DE POSSÍVEIS PERIGOS

 

Na busca da Humanidade por vida para lá do nosso Sistema Solar, um dos melhores lugares considerados pelos cientistas é Alpha Centauri, um sistema que contém as três estrelas mais próximas do Sol.

Um novo estudo que envolveu a monitorização de Alpha Centauri por mais de uma década pelo Observatório de raios-X Chandra da NASA fornece notícias encorajadoras sobre um aspecto chave da habitabilidade planetária. O estudo indica que quaisquer planetas em órbita das duas estrelas mais brilhantes no sistema Alpha Cen provavelmente não serão atingidos por grandes quantidades de raios-X das suas estrelas hospedeiras. Os raios-X e os efeitos do “clima espacial” são nocivos para a vida desprotegida, directamente através de doses elevadas de radiação e indirectamente através da remoção de atmosferas planetárias (um destino que se pensa ter acontecido em Marte).

Alpha Centauri é um sistema triplo localizado a pouco mais de 4,3 anos-luz, ou cerca de 4,1 biliões de quilómetros da Terra. Embora esta seja uma grande distância em termos terrestres, o sistema está muito mais perto do que a mais próxima estrela do tipo solar.

“Por estar relativamente perto, o sistema Alpha Centauri é visto por muitos como o melhor candidato a explorar em busca de sinais de vida,” realça Tom Ayres, da Universidade do Colorado em Boulder. “A questão é, vamos encontrar planetas num ambiente propício à vida como a conhecemos?”

As estrelas no sistema Alpha Centauri incluem um par chamado “A” e “B” (abreviação AB) que orbitam relativamente perto uma da outra. Alpha Cen A é um gémeo semelhante ao nosso Sol em quase todos os sentidos, incluindo a idade, enquanto Alpha Cen B é um pouco menor e mais fraca, mas ainda bastante parecida com o Sol. O terceiro membro, Alpha Cen C (também conhecida como Proxima), é uma estrela anã vermelha muito mais pequena que viaja em redor do par AB numa órbita muito maior que a leva mais de mil vezes mais longe do par AB do que a distância Terra-Sol. Proxima actualmente detém o título de estrela mais próxima da Terra, embora AB esteja em segundo lugar.

Um novo estudo que envolve a monitorização a longo prazo de Alpha Centauri pelo Observatório de raios-X Chandra da NASA indica que quaisquer planetas em órbita das duas estrelas mais brilhantes não são provavelmente atingidos por grandes quantidades de raios-X. Isto é importante para a viabilidade da vida no sistema estelar mais próximo do Sistema Solar. A imagem no canto superior esquerdo foi obtida pelo Chandra no dia 2 de maio de 2017, vista em contexto com uma imagem óptica de campo largo obtida no solo. Alpha Centauri é um sistema estelar triplo localizado a pouco mais de 4 anos-luz da Terra.
Crédito: ótico – Zdenek Bardon; raios-X – NASA/CXC/Universidade do Colorado/T. Ayres et al.

Os dados do Chandra revelam que as perspectivas de vida em termos de bombardeamento actual de raios-X são na verdade melhores em torno de Alpha Cen A do que em torno do Sol, e Alpha Cen B é apenas ligeiramente pior. Proxima, por outro lado, é um tipo de estrela anã vermelha activa conhecida por libertar perigosas explosões de raios-X e provavelmente hostil à vida.

“Esta é uma notícia muito boa para Alpha Cen AB em termos da capacidade da vida (em qualquer um dos seus planetas) em sobreviver aos ataques de radiação das estrelas,” comenta Ayres. “O Chandra mostra-nos que a vida deverá ter uma chance de luta nos planetas em torno de qualquer uma destas estrelas.”

Apesar de já ter sido descoberto um planeta do tamanho da Terra em torno de Proxima, os astrónomos continuam à procura, sem sucesso, de exoplanetas em torno de Alpha Cen A e B. A caça exoplanetária em redor destas estrelas provou recentemente ser mais difícil devido à órbita do par, que aproximou as duas estrelas brilhantes uma da outra no céu na última década.

Para ajudar a determinar se as estrelas de Alpha Cen são hospitaleiras à vida, os astrónomos realizaram uma campanha de longo prazo na qual o Chandra observa as duas principais estrelas do sistema a cada seis meses desde 2005. O Chandra é o único observatório de raios-X capaz de resolver AB durante a sua actual aproximação orbital, a fim de determinar o que cada estrela está a fazer.

Estas medições a longo prazo capturaram os altos e baixos da actividade de raios-X de AB, análoga ao ciclo de 11 anos das manchas solares do Sol. Mostram que quaisquer planetas na zona habitável da estrela A receberiam uma dose mais pequena de raios-X, em média, do que planetas semelhantes em torno do Sol. Para a companheira B, a dose de raios-X para planetas na zona habitável é maior do que a do Sol, mas só por um factor de aproximadamente 5.

Em comparação, os planetas na zona habitável em torno de Proxima recebem uma dose média de raios-X cerca de 500 vezes maior que a da Terra e 50.000 vezes maior durante uma grande erupção estelar.

Além de iluminar a possível habitabilidade dos planetas de Alpha Cen, a história de raios-X do par AB, pelo Chandra, ajuda às explorações teóricas da actividade cíclica de raios-X do nosso Sol. A sua compreensão é fundamental para os perigos cósmicos como o Clima Espacial, que podem impactar a tecnologia da nossa civilização cá na Terra.

Tom Ayres apresentou estes resultados na 232.ª reunião da Sociedade Astronómica Americana em Denver, no estado norte-americano do Colorado, e alguns dos resultados foram publicados na edição de Janeiro de 2018 da revista científica Research Notes of the American Astronomical Society.

Links:

Notícias relacionadas:
NASA (comunicado de imprensa)
Observatório de raios-X Chandra (comunicado de imprensa)
Artigo científico (Research Notes of the American Astronomical Society)
Astronomy
Universe Today
Astronomy Now
PHYSORG
astrobiology web
Newsweek

Alpha Centauri:
Wikipedia

Proxima Centauri:
Wikipedia

Observatório Chandra:
Página oficial (Harvard)
Página oficial (NASA)
Wikipedia

Astronomia On-line
12 de Junho de 2018

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613: EVENTO DE ONDAS GRAVITACIONAIS PROVAVELMENTE ASSINALOU A FORMAÇÃO DE UM BURACO NEGRO

Depois de duas estrelas separadamente explodirem como super-novas, dois núcleos ultra-densos (isto é, estrelas de neutrões) ficaram para trás. Estas duas estrelas de neutrões estavam tão perto uma da outra que a radiação de ondas gravitacionais puxou-as na direcção uma da outra até que se fundiram e colapsaram num buraco negro. A impressão de artista mostra uma parte fundamental do processo que formou este novo buraco negro, à medida que as duas estrelas de neutrões rodavam uma em torno da outra enquanto se fundiam. O material púrpura ilustra detritos da fusão.
Crédito: ilustração – CXC/M. Weiss; raios-X – NASA/CXC/Trinity University/D. Pooley et al.

A espectacular fusão de duas estrelas de neutrões que gerou ondas gravitacionais, anunciada no ano passado, provavelmente fez ainda outra coisa: deu azo a um buraco negro. Este buraco negro recém-formado será o buraco negro de menor massa já encontrado.

Um novo estudo analisou dados do Observatório de raios-X Chandra da NASA obtidos nos dias, semanas e meses após a detecção das ondas gravitacionais pelo LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) e raios-gama pela missão Fermi da NASA no dia 17 de Agosto de 2017.

Embora quase todos os telescópios à disposição dos astrónomos profissionais tenham observado esta fonte, conhecida oficialmente como GW170817, os raios-X do Chandra são cruciais para entender o que aconteceu depois da colisão entre as duas estrelas de neutrões.

A partir dos dados do LIGO, os astrónomos têm uma boa estimativa de que a massa do objecto resultante da fusão das estrelas de neutrões ronda as 2,7 massas solares. Isto coloca-o numa “corda bamba” de identidade, implicando que ou é a estrela de neutrões mais massiva alguma vez encontrada ou o buraco negro de massa mais baixa já descoberto. Os detentores anteriores do recorde para esta última categoria astronómica não têm menos que quatro ou cinco vezes a massa do Sol.

“Embora as estrelas de neutrões e os buracos negros sejam misteriosos, nós estudámos muitos por todo o Universo usando telescópios como o Chandra,” afirma Dave Pooley da Trinity University em San Antonio, no estado norte-americano do Texas, que liderou o estudo. “Isso significa que temos dados e teorias sobre o comportamento de tais objectos na gama dos raios-X.”

As observações do Chandra são reveladoras, não apenas pelo que mostraram, mas também pelo que não mostraram. Se o resultado da fusão das duas estrelas de neutrões fosse uma estrela de neutrões mais massiva, então os astrónomos esperariam que girasse rapidamente e produzisse um campo magnético muito forte. Isto, por sua vez, teria formado uma bolha de partículas altamente energéticas que resultaria numa emissão de raios-X brilhantes. Em vez disso, os dados do Chandra mostram níveis de raios-X que são várias magnitudes mais fracos do que o esperado para uma estrela de neutrões e para uma bolha associada de partículas de alta energia, sugerindo ao invés a formação de um buraco negro.

Se confirmado, este resultado mostra que uma receita para produzir um buraco negro às vezes pode ser complicada. No caso de GW170817, seriam necessárias duas explosões de super-nova para deixar para trás duas estrelas de neutrões numa órbita suficientemente íntima para a radiação de ondas gravitacionais unir as estrelas de neutrões.

“Podemos ter respondido a uma das perguntas mais básicas sobre este evento deslumbrante: o que é que produziu?” comenta o co-autor Pawan Kumar da Universidade do Texas em Austin. “Há muito tempo que os astrónomos suspeitam que as fusões de estrelas de neutrões formariam um buraco negro e produziriam pulsos de radiação, mas não possuíamos até agora evidências fortes.”

Uma observação do Chandra, dois a três dias após o evento, não conseguiu detectar uma fonte, mas observações subsequentes 9, 15 e 16 dias após o evento, resultaram em detecções. A fonte deslizou pouco tempo depois para trás do Sol, mas cerca de 110 dias após o evento o Chandra ainda continuou a observar um aumento de brilho, seguido por uma intensidade comparável em raios-X cerca de 160 dias depois.

Ao comparar as observações do Chandra com aquelas do VLA (Karl G. Jansky Very Large Array), Pooley e colaboradores explicam a emissão de raios-X observada como devida inteiramente à onda de choque – semelhante a um boom sónico de um avião supersónico – da fusão que esmagou o gás circundante. Não existem sinais de raios-X resultantes de uma estrela de neutrões.

A conclusão da equipa de Pooley pode ser testada por observações futuras em raios-X e no rádio. Se o remanescente for uma estrela de neutrões com um campo magnético forte, então a fonte deve ficar muito mais brilhante em raios-X e no rádio daqui a aproximadamente dois anos, quando a bolha de partículas altamente energéticas alcançar a onda de choque em desaceleração. Se for realmente um buraco negro, os astrónomos esperam que continue a ficar mais fraca do que o observado recentemente, à medida que a onda de choque enfraquece.

“GW170817 é um evento astronómico que continua a fornecer surpresas,” comenta J. Craig Wheeler, co-autor do estudo, também da Universidade do Texas. “Estamos a aprender muito sobre a astrofísica dos objectos mais densos conhecidos, somente com este único evento.”

Se as observações subsequentes descobrirem uma estrela de neutrões muito massiva, tal descoberta desafiará as teorias da estrutura das estrelas de neutrões e quão massivas podem ficar.

“No início da minha carreira, os astrónomos só podiam observar estrelas de neutrões e buracos negros na nossa própria Galáxia, e agora estamos a observar estes objectos exóticos em todo o cosmos,” comenta o co-autor Bruce Gossan da Universidade da Califórnia em Berkeley. “Que momento emocionante para estar vivo, para ver instrumentos como o LIGO e o Chandra a mostrarem tantas coisas excitantes que a natureza tem para oferecer.”

O artigo que descreve este resultado aparece na última edição da revista The Astrophysical Journal Letters e está disponível online.

Astronomia On-line
5 de Junho de 2018

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585: E0102-72.3: ASTRÓNOMOS AVISTAM UMA ESTRELA DE NEUTRÕES DISTANTE E SOLITÁRIA

A composite image of the supernova 1E0102.2-7219 contains X-rays from Chandra (blue and purple), visible light data from VLT’s MUSE instrument (bright red), and additional data from Hubble (dark red and green). A neutron star, the ultra dense core of a massive star that collapses and undergoes a supernova explosion, is found at its center.

Os astrónomos descobriram um tipo especial de estrela de neutrões pela primeira vez fora da Via Láctea, usando dados do Observatório de raios-X Chandra da NASA e do VLT (Very Large Telescope) do ESO no Chile.

As estrelas de neutrões são os núcleos ultra-densos de estrelas massivas que colapsam e explodem como supernovas. Esta estrela de neutrões recém-identificada é de uma variedade rara pois tem um campo magnético fraco e não tem uma companheira estelar.

A estrela de neutrões está localizada no remanescente de uma supernova – conhecida como 1E 0102.2-7219 (abreviada E0102) – na Pequena Nuvem de Magalhães, a 200.000 anos-luz da Terra.

A nova composição de E0102 permite que os astrónomos aprendam novos detalhes sobre este objecto que foi descoberto há mais de três décadas atrás. Nesta imagem, os raios-X do Chandra têm tons azuis e roxos, enquanto os dados ópticos do instrumento MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) do VLT têm um tom vermelho brilhante. Os dados adicionais do Telescópio Espacial Hubble têm tons vermelhos escuros e verdes.

Remanescentes de supernova ricos em oxigénio, como E0102, são importantes para compreender como as estrelas massivas fundem os elementos mais leves nos mais pesados antes de explodirem. Vistos até alguns milhares de anos após a explosão original, os remanescentes ricos em oxigénio contêm os detritos expelidos do interior da estrela moribunda. Estes detritos (visíveis como a estrutura filamentar verde na imagem combinada) são observados hoje a passar pelo espaço depois de expulsos a milhões de quilómetros por hora.

As observações de E0102 pelo Chandra mostram que o remanescente de supernova é dominado por uma grande estrutura em forma de anel em raios-X, associada à onda de choque da supernova. Os novos dados MUSE revelaram um anel mais pequeno de gás (em vermelho brilhante) que está a expandir-se mais lentamente do que a onda de choque. No centro deste anel está uma fonte de raios-X semelhante a um ponto azul. Juntos, o pequeno anel e a fonte pontual agem como um alvo celeste.

Os dados combinados do Chandra e do MUSE sugerem que esta fonte é uma estrela de neutrões isolada, criada na explosão de supernova há cerca de dois milénios. A assinatura de energia de raios-X desta fonte, ou “espectro”, é muito semelhante à das estrelas de neutrões localizadas no centro de outros dois famosos remanescentes de supernova: Cassiopeia A (Cas A) e Puppis A. Estas duas estrelas de neutrões também não têm estrelas companheiras.

A ausência de evidências de emissão de rádio estendida ou de radiação de raios-X pulsada, tipicamente associadas com estrelas de neutrões altamente magnetizadas e de rotação veloz, indica que os astrónomos detectaram os raios-X da superfície quente de uma estrela de neutrões isolada com campos magnéticos fracos. Foram detectados, na Via Láctea, cerca de 10 objectos deste tipo, mas este é o primeiro detectado fora da nossa Galáxia.

Mas como é que esta estrela de neutrões acabou na sua posição actual, aparentemente deslocada do centro da chamada concha circular de emissão de raios-X produzida pela onda de choque da supernova? Uma possibilidade é que a explosão de supernova ocorreu perto do meio do remanescente, mas a estrela de neutrões foi expulsa do local por uma explosão assimétrica, a uma velocidade alta de aproximadamente 3,2 milhões de quilómetros por hora. No entanto, neste cenário, é difícil explicar por que a estrela de neutrões está hoje tão bem cercada pelo recém-descoberto anel de gás visto nos comprimentos de onda visíveis.

Outra explicação possível é que a estrela de neutrões está a mover-se lentamente e a sua posição actual é aproximadamente onde a explosão de supernova teve lugar. Neste caso, o material no anel óptico pode ter sido expelido ou durante a explosão de supernova, ou pela progenitora condenada até alguns milhares de anos antes.

Um desafio deste segundo cenário é que o local da explosão estaria localizado bem longe do centro do remanescente, conforme determinado pela emissão prolongada de raios-X. Isto implicaria um conjunto especial de circunstâncias para os arredores de E0102: por exemplo, uma cavidade esculpida pelos ventos da estrela progenitora antes da explosão de supernova e variações na densidade do gás e poeira interestelar em torno do remanescente.

As futuras observações de E0102 em comprimentos de onda de raios-X, ópticos e de rádio devem ajudar os astrónomos a resolver este novo e empolgante mistério apresentado pela solitária estrela de neutrões.

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na edição de Abril da Nature Astronomy e está disponível online.

Astronomia On-line
25 de Maio de 2018

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PAR DE BURACOS NEGROS GIGANTES “FOTOBOMBAM” GALÁXIA DE ANDRÓMEDA

A fonte de raios-X J0045+41.
Crédito: raios-X – NASA/CXC/Universidade de Washington/T. Dorn-Wallenstein et al.; Ótico – NASA, ESA, J. Dalcanton et al. e R. Gendler

Parece que até os buracos negros não conseguem resistir à tentação de se inserirem sem aviso prévio em fotografias. Uma “fotobomba” cósmica encontrada como objecto de fundo em imagens da vizinha Galáxia de Andrómeda revelou o que poderá ser o par de buracos negros super-massivos mais íntimos já vistos.

Os astrónomos fizeram esta notável descoberta usando dados de raios-X obtidos pelo Observatório de raios-X Chandra da NASA e dados ópticos de telescópios terrestres, o Gemini-Norte no Hawaii e o PTF (Palomar Transient Factory) no estado norte-americano da Califórnia.

Esta fonte invulgar, chamada LGGS J004527.30+413254.3 (ou J0045+41), foi vista em imagens ópticas e em raios-X de Andrómeda, também conhecida como M31. Até recentemente, os cientistas pensavam que J0045+41 era um objecto no interior de M31, uma grande galáxia espiral localizada relativamente perto a uma distância de aproximadamente 2,5 milhões de anos-luz da Terra. No entanto, os novos dados revelaram que J0045+41 está na verdade a uma distância muito maior, a cerca de 2,6 mil milhões de anos-luz da Terra.

“Estávamos à procura de um tipo especial de estrela em M31 e pensávamos ter encontrado uma,” afirma Trevor Dorn-Wallenstein da Universidade de Washington, em Seattle, Washington, EUA, que liderou o artigo que descreve a descoberta. “Ficámos surpresos e entusiasmados por encontrar algo muito mais estranho!”

Ainda mais intrigante do que a grande distância de J0045+41, é provável que contenha um par de buraco negros gigantes em órbita íntima um do outro. A massa total estimada para estes dois buracos negros super-massivos equivale a cerca de duzentos milhões de vezes a massa do nosso Sol.

Anteriormente, uma equipa diferente de astrónomos tinha visto variações periódicas na luz óptica de J0045+41 e, pensando que era um membro de M31, classificou o objecto como um par de estrelas que se orbitavam uma à outra a cada 80 dias.

A intensidade da fonte de raios-X observada pelo Chandra revelou que esta classificação original estava incorrecta. Ao invés, J0045+41 ou tinha que ser um sistema binário em M31 que continha uma estrela de neutrões ou buraco negro que puxava material da companheira – o tipo de sistema que Dorn-Wallenstein procurava originalmente em M31 – ou um sistema muito mais massivo e distante que continha pelo menos um buraco negro super-massivo em rápido crescimento.

No entanto, o espectro obtido pelo telescópio Gemini-Norte, levado a cabo por uma equipa da Universidade de Washington, mostrou que J0045+41 hospedava pelo menos um buraco negro super-massivo e permitiu com que os investigadores estimassem a distância. O espectro também forneceu possíveis evidências da presença de um segundo buraco negro em J0045+41 que se movia a uma velocidade diferente da do primeiro, conforme esperado caso os dois buracos negros estivessem a orbitar-se um ao outro.

A equipa então usou dados ópticos do PTF para procurar variações periódicas na luz de J0045+41. Encontraram vários períodos em J0045+41, incluindo os de cerca de 80 e 320 dias. A relação entre esses períodos corresponde ao previsto pelo trabalho teórico sobre a dinâmica de dois buracos negros que se orbitam um ao outro.

“Esta é a primeira vez que é encontrada uma evidência tão forte para um par de buracos negros gigantes em órbita um do outro,” afirma a co-autora Emily Levesque da Universidade de Washington.

Os investigadores estimam que os dois prováveis buracos negros se orbitem um ao outro com uma separação de apenas algumas centenas de vezes a distância entre a Terra e o Sol. Isto corresponde a menos de um centésimo de um ano-luz. Em comparação, a estrela mais próxima do Sol está a cerca de 4 anos-luz.

Tal sistema poderá ser formado como consequência da fusão, há milhares de milhões de anos, de duas galáxias que continham um buraco negro super-massivo cada. À sua pequena separação actual, os dois buracos negros estão inevitavelmente cada vez mais próximos um do outro à medida que emitem ondas gravitacionais.

“Não somos capazes de quantificar exactamente a massa de cada um destes buracos negros,” afirma o co-autor John Ruan, também da Universidade de Washington. “Dependendo disso, pensamos que este par irá colidir e fundir-se num único buraco negro em tão pouco tempo quanto 350 anos ou no máximo daqui a 360.000 anos.”

Caso J0045+41 realmente contenha dois buracos negros em íntima órbita um do outro, estará a emitir ondas gravitacionais. No entanto, o sinal não será detectável nem com o LIGO nem com o Virgo. Estas instalações terrestres detectaram a fusão de buracos negros de massa estelar com não mais de 60 vezes a massa do Sol e, muito recentemente, uma fusão entre duas estrelas de neutrões.

“As fusões de buracos negros super-massivos ocorrem em câmara lenta em comparação com as dos buracos negros de massa estelar,” comenta Dorn-Wallenstein. “As mudanças muito mais lentas nas ondas gravitacionais de um sistema como J0045+41 podem, no máximo, ser detectadas por um tipo diferente de instalação de ondas gravitacionais chamado ‘Pulse Timing Array’.”

O artigo que descreve este resultado foi aceite para publicação na edição de 20 de Novembro da revista The Astrophysical Journal e está disponível online.

Astronomia online
5 de Dezembro de 2017

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103: Auroras erráticas de raios-X descobertas inesperadamente em Júpiter

This image combines an image taken with Hubble Space Telescope in the optical (taken in spring 2014) and observations of its auroras in the ultraviolet, taken in 2016.

Os telescópios espaciais da ESA e da NASA revelaram que, ao contrário das luzes polares da Terra, as auroras intensas vistas nos pólos de Júpiter se comportam, inesperadamente, de forma independente.

As auroras têm sido observadas em muitos lugares, desde planetas, luas e até estrelas, anãs castanhas e uma variedade de outros corpos cósmicos. Estas lindas exibições são causadas por fluxos de partículas atómicas carregadas electricamente – electrões e iões – que colidem com as camadas atmosféricas que cercam um planeta, lua ou estrela. As luzes polares da Terra tendem a espelhar-se mutuamente: quando se iluminam no pólo norte, também se iluminam no pólo sul.

O mesmo se esperava das auroras noutros lugares, mas um novo estudo, publicado hoje na Nature Astronomy, revela que aquelas no gigante de gás Júpiter estão muito menos coordenadas.

O estudo utilizou os observatórios espaciais de raios-X XMM-Newton da ESA e o Chandra da NASA, para observar os raios-X de alta energia produzidos pelas auroras nos pólos de Júpiter. Enquanto as auroras do sul encontraram um pulso consistente a cada 11 minutos, aquelas no pólo norte do planeta acenderam caoticamente.

Estas auroras não parecem actuar em uníssono como aquelas com que estamos familiarizados aqui na Terra”, diz o autor principal, William Dunn, do Laboratório de Ciências Espaciais Mullard da Universidade do Colégio de Londres, Reino Unido, e Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, EUA.

Pensámos que a actividade seria coordenada através do campo magnético de Júpiter, mas o comportamento que encontrámos é realmente intrigante.

Aurora no norte do Canadá

É estranho ainda considerar que Saturno – outro planeta gigante gasoso – não produz qualquer aurora de raios-X que possamos detectar, então isso levanta algumas questões que actualmente não temos certeza de como responder.

Em primeiro lugar, como é que Júpiter produz as auroras de raios-X brilhantes e energéticas quando o vizinho não o faz e, em segundo lugar, como é que faz isso de forma independente em cada pólo?

Com os dados nas mãos, William e os colegas identificaram e cartografaram pontos quentes de raios-X nos pólos de Júpiter. Cada ponto quente cobre uma área com metade do tamanho da superfície da Terra.

Além de levantar questões sobre como as auroras são produzidas por toda a parte do cosmos, as auroras pulsadoras independentes de Júpiter sugerem que há muito mais a entender sobre como o próprio planeta produz algumas das suas emissões mais enérgicas.

A influência magnética de Júpiter é colossal; a região do espaço sobre a qual o campo magnético joviano domina – a magnetosfera – é cerca de 40 vezes maior do que a da Terra e cheia de plasma de alta energia. Nas bordas externas desta região, partículas carregadas, em última instância, de erupções vulcânicas na lua de Júpiter, Io, interagem com o limite magnético entre a magnetosfera e o espaço interplanetário. Estas interacções criam fenómenos intensos, incluindo auroras.

As partículas carregadas devem atingir a atmosfera de Júpiter a velocidades excepcionalmente rápidas para gerar os pulsos de raios-X que vimos. Ainda não entendemos o que os processos causam, mas estas observações dizem-nos que agem de forma independente nos hemisférios do norte e do sul”, acrescenta Licia Ray, da Universidade de Lancaster, Reino Unido, e uma co-autora.

A assimetria nas luzes do norte e do sul de Júpiter também sugere que, muitos corpos cósmicos que se sabe que experienciam auroras – exoplanetas, estrelas de neutrões, anãs castanhas e outros corpos de rotação rápida – podem produzir uma aurora muito diferente em cada pólo.

Juice em Júpiter

O Juice da ESA chegará ao planeta em 2029, para investigar a atmosfera e a magnetosfera de Júpiter. Irá observar também as auroras e, em particular, o efeito sobre as luas galileanas.

Esta é uma descoberta inovadora, e não poderia ter sido feita sem o XMM-Newton da ESA”, acrescenta Norbert Schartel, cientista do projecto da ESA para o XMM-Newton.

O observatório espacial foi fundamental para este estudo, fornecendo dados detalhados com uma alta resolução espectral, de modo que a equipa pudesse explorar as cores vibrantes das auroras e descobrir detalhes sobre as partículas envolvidas: se se estão a mover rapidamente, sejam elas um ião de oxigénio ou enxofre, e assim por diante.

Observações coordenadas como estas, com telescópios como o XMM-Newton, Chandra e Juno a trabalhar em conjunto, são fundamentais para explorar e compreender ambientes e fenómenos em todo o universo e os processos que os produzem.”

Notícia e imagens: ESA

Texto corrigido para Língua Portuguesa pré-AO90

Em Órbita
Astronáutica e Conquista do Espaço
4 de Novembro de 2017

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3: O Chandra pode ter boas notícias sobre a existência de vida no Universo

Um novo estudo em raios-X revelou que estrelas como o Sol e as suas primas menos massivas acalmam-se surpreendentemente depressa após uma juventude turbulenta. Este resultado tem implicações positivas para a habitabilidade a longo prazo dos planetas em órbita dessas estrelas.

Uma equipa de investigadores usou dados do Observatório de raios-X Chandra da NASA e do XMM-Newton da ESA para ver como o brilho de raios-X de estrelas semelhantes ao Sol se comporta ao longo do tempo.

A emissão de raios-X de uma estrela vem de uma camada fina, quente e exterior chamada coroa. A partir de estudos da emissão solar em raios-X, os astrónomos determinaram que a coroa é aquecida por processos relacionados com a interacção de movimentos turbulentos e com os campos magnéticos nas camadas exteriores de uma estrela.

Níveis elevados de actividade magnética podem produzir raios-X brilhantes e radiação ultravioleta a partir de proeminências estelares. A forte actividade magnética também pode gerar erupções poderosas de material a partir da superfície da estrela.

Estas erupções e radiação podem afectar os planetas e danificar ou destruir as suas atmosferas, conforme observado em estudos anteriores, incluindo trabalhos do Chandra relatados em 2011 e 2013.

Tendo em conta que os raios-X estelares espelham a actividade magnética, as observações em raios-X podem dizer aos astrónomos mais sobre o ambiente altamente energético ao redor da estrela. O novo estudo usa dados raios-X do Chandra e do XMM-Newton para mostrar que as estrelas como o Sol e as suas primas menos massivas diminuem de brilho em raios-X surpreendentemente depressa.

Os cientistas examinaram 24 estrelas com massas parecidas à do Sol ou menos, e idades de mil milhões de anos ou mais (o Sol tem 4,5 mil milhões de anos). O declínio observado no brilho de raios-X implica um declínio rápido na actividade energética, o que pode proporcionar um ambiente hospitaleiro para a formação e evolução da vida em quaisquer planetas em órbita.

“Esta é uma boa notícia para a habitabilidade futura de planetas em órbita de estrelas tipo Sol, porque a quantidade de raios-X e raios UV prejudiciais que atingem esses mundos oriundos de proeminências estelares será menor do que pensávamos,” realça Rachel Booth, estudante da Queen’s University em Belfast, Reino Unido, que liderou o estudo.

Este resultado é diferente de outros trabalhos recentes sobre estrelas de massas semelhantes à do Sol com idades inferiores a mil milhões de anos. O novo trabalho mostra que estrelas mais velhas diminuem de actividade muito mais depressa do que as suas homólogas mais jovens.

“Ouvimos muito sobre a volatilidade de estrelas menos massivas que o Sol, como TRAPPIST-1 ou Proxima Centauri, e como isso é mau para as atmosferas que podem sustentar vida nos seus planetas,” salienta Katja Poppenhaeger, co-autora da Queen’s University e do Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica em Cambridge, em Massachusetts. “É refrescante ter boas notícias para partilhar sobre a potencial habitabilidade.”

Para compreender quão depressa o nível de actividade magnética estelar muda ao longo do tempo, os astrónomos necessitam de idades precisas para muitas estrelas diferentes. Esta é uma tarefa difícil, mas novas estimativas precisas de idades ficaram recentemente disponíveis graças a estudos do modo como uma estrela pulsa usando as missões Kepler da NASA e CoRoT da ESA. Estas novas estimativas de idade foram utilizadas para a maioria das 24 estrelas estudadas aqui.

Os astrónomos observaram que a maioria das estrelas são muito activas magneticamente quando jovens, porque giram rapidamente. À medida que a estrela em rotação perde energia com o tempo, gira mais devagar, a actividade magnética equilibra-se, juntamente com a emissão associada de raios-X, que cai.

“Não temos a certeza porque é que as estrelas mais velhas se acalmam relativamente depressa,” afirma o co-autor Chris Watson da Queen’s University. “No entanto, sabemos que levou à formação bem-sucedida da vida em pelo menos um caso“.

Uma possibilidade é que a diminuição da rotação das estrelas mais antigas ocorre mais depressa do que nas estrelas mais novas. Outra possibilidade é que o brilho em raios-X diminui mais rapidamente com o tempo para estrelas mais velhas e de rotação mais lenta do que para estrelas mais jovens.

// Centro Ciência Viva do Algarve

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