5237: GTC descobre o maior enxame de galáxias conhecido do Universo primitivo

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Imagem do enxame galáctico em formação, a 12,5 mil milhões de anos-luz. Os círculos indicam os novos membros descobertos com o GTC; 4 deles são mostrados em detalhe.
Crédito: NASA/ESA/GOODS-N+3DHST+Equipa CANDELS/Daniel López/IAC

Um estudo, liderado por investigadores do IAC (Instituto de Astrofísica de Canarias) e realizado com o OSIRIS, um instrumento acoplado ao GTC (Gran Telescopio Canarias), descobriu o enxame galáctico em formação mais densamente povoado do Universo primitivo. Os investigadores preveem que esta estrutura, que fica a 12,5 mil milhões de anos-luz, terá evoluído para se tornar um enxame semelhante ao de Virgem, vizinho do Grupo Local de galáxias ao qual pertence a Via Láctea. O estudo foi publicado na revista especializada Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Os enxames de galáxias são grupos de galáxias que permanecem juntas devido à acção da gravidade. Para entender a evolução destas “cidades de galáxias”, os cientistas procuram estruturas em formação, os chamados proto-enxames galácticos, no início do Universo.

Em 2012, uma equipa internacional de astrónomos fez uma determinação precisa da distância da galáxia HDF850.1, conhecida como uma das galáxias com o maior ritmo de formação estelar no Universo observável. Para sua surpresa, os cientistas também descobriram que esta galáxia, que fica numa das regiões mais estudadas do céu conhecida como HDF/GOODS-North, faz parte de um grupo de mais ou menos uma dúzia de proto-galáxias que se formaram durante os primeiros mil milhões de anos da história cósmica. Antes da sua descoberta, apenas era conhecido um outro grupo primordial semelhante.

Agora, graças a uma nova investigação com o instrumento OSIRIS do GTC, a equipa mostrou que é uma das regiões mais densamente povoadas de galáxias no Universo primitivo e, pela primeira vez, realizaram um estudo detalhado das propriedades físicas deste sistema. “Surpreendentemente, descobrimos que todos os membros do enxame estudados até agora, cerca de duas dúzias, são galáxias com formação estelar normal, e que a galáxia central parece dominar a produção de estrelas nesta estrutura”, explica Rosa Calvi, ex-investigadora de pós-doutoramento no IAC e autora principal do artigo.

Testemunhas da infância do Universo local

Este estudo recente mostra que este enxame de galáxias em formação é formado por vários componentes, ou “zonas” com diferenças em termos de evolução. Os astrónomos preveem que esta estrutura mudará gradualmente até se tornar um enxame galáctico semelhante ao de Virgem, a região central do super-enxame com o mesmo nome onde está situado o Grupo Local de galáxias ao qual a Via Láctea pertence. “Vemos esta cidade em construção tal como era há 12.500 milhões de anos atrás, quando o Universo tinha menos de 10% da sua idade actual, por isso estamos a assistir à infância de um enxame de galáxias como os que são típicos do Universo local”, observa Helmut Dannerbauer, investigador do IAC e co-autor do artigo.

A distância medida a estas fontes estudadas concorda perfeitamente com as previsões baseadas em observações fotométricas feitas anteriormente no GTC por Pablo Arrabal Haro, ex-aluno de doutoramento no IAC, orientado por José Miguel Rodríguez Espinosa, investigador do IAC e secretário-geral adjunto da União Astronómica Internacional, e Casiana Muñoz-Tuñón, investigadora e Directora Adjunta do IAC, todos co-autoras do presente artigo científico. Arrabal desenvolveu um método para seleccionar galáxias com ritmos normais de formação estelar, baseado no levantamento fotométrico SHARDS (Survey for High-z Absorption Red and Dead Sources), um Grande Programa do ESO realizado no GTC. “Fico muito feliz em ver que o método desenvolvido durante a minha tese de doutoramento funciona tão bem no que toca a encontrar e confirmar uma região altamente povoada por galáxias no Universo distante,” afirma Arrabal.

O programa SHARDS foi liderado por Pablo Pérez-González, investigador do Centro de Astrobiologia e também autor do artigo. Como explica Pérez-González, “medir exactamente como estas estruturas se formam, especialmente no início do Universo, não é fácil, e precisamos de dados excepcionais como os que estamos a obter com o telescópio GTC como parte dos projectos SHARDS e SHARDS Frontier Fields, que nos permitem determinar distâncias até galáxias e entre galáxias na orla do Universo com uma precisão nunca antes alcançada.”

Além disso, Stefan Geier, astrónomo de apoio do GTC e co-autor do artigo científico, salienta que “este resultado altamente surpreendente não teria sido possível sem a extraordinária capacidade do OSIRIS juntamente com a grande área de recolha de luz do GTC, o maior telescópio óptico e infravermelho do mundo.”

Astronomia On-line
2 de Março de 2021


4855: Abell 2261: à procura de um buraco negro gigante desaparecido

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Esta imagem de Abell 2261 contém dados de raios-X pelo Chandra que mostra gás quente permeando o enxame bem como dados ópticos pelo Hubble e pelo Subaru que mostram as galáxias do enxame e galáxias no plano de fundo. Os astrónomos usaram estes telescópios para procurar, na galáxia no centro da imagem, evidências de um buraco negro com uma massa estimada entre 3 e 100 mil milhões de vezes a massa do Sol. Não encontraram sinais do buraco negro, aprofundando o mistério do que está a acontecer neste sistema.
Crédito: raios-X – NASA/CXC/Universidade do Michigan/K. Gültekin; ótico – NASA/STScI e NAOJ/Subaru; infravermelho – NSF/NOAO/KPNO; rádio – NSF/NOAO/VLA

O paradeiro de um buraco negro super-massivo acabou de ficar mais misterioso.

Apesar da procura com o Observatório de raios-X Chandra e com o Telescópio Espacial Hubble, os astrónomos não conseguem encontrar um buraco negro distante com uma massa estimada entre 3 mil milhões e 100 mil milhões de vezes a massa do Sol.

Este buraco negro ausente deve estar na enorme galáxia no centro do enxame galáctico Abell 2261, localizado a aproximadamente 2,7 mil milhões de anos-luz da Terra. Esta imagem composta de Abell 2261 contém dados ópticos do Hubble e do Telescópio Subaru, mostrando galáxias do enxame e galáxias no plano de fundo, e dados do Chandra, mostrando gás quente (em tons de cor-de-rosa) permeando o enxame. O meio da imagem mostra a grande galáxia elíptica no centro do aglomerado.

Quase todas as grandes galáxias do Universo contêm um buraco negro super-massivo no seu centro, com uma massa milhões ou milhares de milhões de vezes a do Sol. Já que a massa de um buraco negro central geralmente acompanha a massa da própria galáxia, os astrónomos esperam que a galáxia no centro de Abell 2261 contenha um buraco negro super-massivo que rivaliza com a massa de alguns dos maiores buracos negros conhecidos no Universo.

Usando dados do Chandra obtidos em 1999 e 2004, os astrónomos já haviam procurado, no centro da grande galáxia central de Abell 2261, sinais de um buraco negro super-massivo. Procuraram material que foi super-aquecido enquanto caía em direcção ao buraco negro e que produziu raios-X, mas não detectaram tal fonte.

Agora, com novas e mais longas observações do Chandra obtidas em 2018, uma equipa liderada por Kayhan Gultekin da Universidade do Michigan em Ann Arbor realizou uma busca mais profunda pelo buraco negro no centro da galáxia. Também consideraram uma explicação alternativa, na qual o buraco negro foi ejectado do centro da galáxia hospedeira. Este evento violento pode ter resultado da fusão de duas galáxias para formar a galáxia observada, acompanhada pela fusão dos dois buracos negros de cada galáxia num enorme buraco negro.

Quando os buracos negros se fundem, produzem ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais. Se a enorme quantidade de ondas gravitacionais geradas por tal evento fosse mais forte numa direcção do que noutra, a teoria prevê que o novo buraco negro ainda mais massivo teria sido enviado para longe do centro da galáxia na direcção oposta. É o que se chama de buraco negro em recuo.

Os astrónomos não encontraram evidências definitivas de buracos negros em recuo e nem se sabe se os buracos negros super-massivos chegam perto o suficiente uns dos outros para produzir ondas gravitacionais e se fundirem; até agora, os astrónomos apenas verificaram as fusões de buracos negros muito mais pequenos. A detecção de buracos negros super-massivos em recuo encorajaria os cientistas a usar e desenvolver observatórios para procurar ondas gravitacionais de buracos negros super-massivos que se fundem.

Abell 2261 é um excelente enxame no qual procurar um buraco negro em recuo porque existem dois sinais indirectos da fusão entre dois buracos negros super-massivos. Em primeiro lugar, os dados das observações ópticas do Hubble e do Subaru revelam um núcleo gigantesco – a região central onde o número de estrelas na galáxia, numa dada região, está perto ou é igual ao valor máximo – que é muito maior do que o esperado para uma galáxia do seu tamanho. O segundo sinal é que a concentração mais densa de estrelas na galáxia está a mais de 2000 anos-luz de distância do centro galáctico, o que é surpreendentemente distante.

Estas características foram identificadas pela primeira vez por Marc Postman do STScI (Space Telescope Science Institute) e colaboradores nas suas imagens anteriores pelo Hubble e pelo Subaru, e levaram-nos a sugerir a ideia de um buraco negro fundido em Abell 2261. Durante uma fusão, o buraco negro super-massivo de cada galáxia “afunda” em direcção ao centro da galáxia recém-coalescida. Se ficarem ligados um ao outro pela gravidade e a sua órbita começar a encolher, espera-se que os buracos negros interajam com as estrelas circundantes e as ejectem do centro da galáxia. Isto explicaria o grande núcleo de Abell 2261. A concentração estelar fora do centro também pode ter sido causada por um evento violento, como a fusão de dois buracos negros super-massivos e o subsequente recuo de um único e maior buraco negro resultante.

Embora existam indícios da ocorrência de uma fusão entre buracos negros, nem os dados do Chandra nem os do Hubble mostram evidências do próprio buraco negro. Gultekin e a maioria dos seus co-autores, liderados por Sarah Burke-Spolaor da Universidade da Virgínia Ocidental, já haviam usado o Hubble para procurar um aglomerado de estrelas que pode ter sido transportado por um buraco negro em recuo. Estudaram três aglomerados perto do centro da galáxia e examinaram se os movimentos das estrelas nesses aglomerados são altos o suficiente para sugerir que contêm um buraco negro com dez mil milhões de vezes a massa do Sol. Não encontraram evidências claras de um buraco negro em dois dos aglomerados e as estrelas no outro eram demasiado fracas para produzir conclusões úteis.

Também estudaram previamente observações de Abell 2261 com o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) da NSF. A emissão de rádio detectada perto do centro da galáxia mostrou evidências de actividade de um buraco negro super-massivo ocorrida há 50 milhões de anos, mas não indica que o centro da galáxia actualmente contém um buraco negro.

Voltaram-se então para o Chandra em busca de material que havia sido super-aquecido e produzido raios-X ao cair em direcção ao buraco negro. Embora os dados do Chandra tenham revelado que o gás quente mais denso não estava no centro da galáxia, não revelaram nenhuma possível assinatura de raios-X de um buraco negro em crescimento – não foi encontrada nenhuma fonte de raios-X no centro do enxame galáctico, ou em qualquer um dos aglomerados estelares, ou no local da emissão de rádio.

Os autores concluíram que ou não há nenhum buraco negro nestes locais ou que está a puxar o material demasiado devagar para produzir um sinal de raios-X detectável.

O mistério da localização deste gigantesco buraco negro continua. Embora a procura não tenha sido bem-sucedida, permanece a esperança para os astrónomos que procurem este buraco negro super-massivo no futuro. Uma vez lançado, o Telescópio Espacial James Webb poderá revelar a presença de um buraco negro super-massivo no centro da galáxia ou num dos aglomerados de estrelas. Se o Webb não conseguir encontrar o buraco negro, então a melhor explicação é que o buraco negro recuou bem para fora do centro da galáxia.

Astronomia On-line
22 de Dezembro de 2020


3687: Uma ponte dobrada entre dois enxames de galáxias

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Composição de imagens do sistema Abell 2384, que compreende dois enxames de galáxias localizadas a 1,2 mil milhões de anos-luz da Terra.
Crédito: raios-X – NASA/CXC/SAO/V.Parekh, et al. & ESA/XMM; rádio: NCRA/GMRT

Um novo estudo, baseado em dados dos observatórios de raios-X XMM-Newton da ESA e Chandra da NASA, lança uma nova luz sobre uma ponte de gás quente com três milhões de anos-luz que liga dois enxames de galáxias, cuja forma está a ser dobrada pela poderosa actividade de um buraco negro super-massivo próximo.

Os aglomerados de galáxias são os maiores objectos do Universo, mantidos juntos pela gravidade. Contêm centenas ou milhares de galáxias, grandes quantidades de gás de vários milhões de graus que brilham intensamente em raios-X e enormes reservatórios de matéria escura invisível.

O sistema retratado nestas imagens, denominado Abell 2384, está localizado a 1,2 mil milhões de anos-luz da Terra e compreende uma massa total de mais de 260 biliões de vezes a massa do Sol. Neste caso, os dois enxames galácticos colidiram e passaram um pelo outro, libertando uma inundação de gás quente de cada aglomerado que formava uma ponte incomum entre os dois objectos.

A visualização de raios-X do XMM-Newton e do Chandra é mostrada em azul, juntamente com observações em ondas de rádio realizadas com o GMRT (Giant Metrewave Radio Telescope) na Índia (mostradas a vermelho) e dados ópticos do DSS (Digitized Sky Survey; mostrada a amarelo). A nova visão de vários comprimentos de onda revela os efeitos de um jacto a disparar para longe de um buraco negro super-massivo no centro de uma galáxia num dos aglomerados.

O jacto é tão poderoso que está a dobrar a forma da ponte de gás, que tem uma massa equivalente a cerca de seis biliões de sóis. No local da colisão, onde o jacto está a empurrar o gás quente na ponte, os astrónomos encontraram evidências de uma frente de choque, semelhante a uma explosão sónica de uma aeronave supersónica, que pode manter o gás quente e impedir que arrefeça para formar novas estrelas.

Objectos como Abell 2384 são importantes para os astrónomos entenderem o crescimento de aglomerados de galáxias.

Simulações em computador indicam que, após tal colisão, os aglomerados de galáxias oscilam como um pêndulo e passam um pelo outro várias vezes antes de se fundirem para formar um aglomerado maior. Com base nestas simulações, os astrónomos pensam que os dois grupos neste sistema acabarão por se fundir.

O estudo que descreve este trabalho, liderado por Viral Parekh, do Observatório de Radioastronomia da África do Sul e Universidade de Rhodes, na África do Sul, foi publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society em Janeiro.

Astronomia On-line
15 de Maio de 2020

 

 

3476: Descoberta explosão recorde por buraco negro

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

As evidências da maior explosão alguma vez vista no Universo surgem de uma combinação de dados de raios-X obtidos pelo Chandra e pelo XMM-Newton, com dados de rádio obtidos pelo MWA e pelo GMRT. A erupção foi desencadeada por um buraco negro localizado na galáxia central do enxame, que expeliu jactos e esculpiu uma grande cavidade no gás quente em redor. Os investigadores estimam que esta explosão libertou cinco vezes mais energia do que o recordista anterior e centenas de milhares de vezes mais do que um típico enxame galáctico. Crédito: raios-X – NASA/CXC/NRL/S. Giacintucci, et al., XMM-Newton; ESA/XMM-Newton; rádio – NCRA/TIFR/GMRT; infravermelho – 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF

Foi encontrada a maior explosão já vista no Universo. Esta gigantesca erupção recorde veio de um buraco negro num distante enxame galáctico a centenas de milhões de anos-luz de distância.

“De certa forma, esta explosão é semelhante ao modo como a erupção do Monte Santa Helena em 1980 destruiu o topo da montanha,” disse Simona Giacintucci do Laboratório Naval de Investigação em Washington, DC, EUA, autora principal do estudo. “Uma diferença fundamental é que podíamos colocar quinze Vias Lácteas seguidas na cratera criada pela erupção que perfurou o gás quente do enxame.”

Os astrónomos fizeram esta descoberta usando dados de raios-X do Observatório de raios-X Chandra da NASA, do XMM-Newton da ESA, e dados rádio do MWA (Murchison Widefield Array) na Austrália e do GMRT (Giant Metrewave Radio Telescope) na Índia.

A incomparável explosão foi detectada no enxame galáctico de Ofiúco, que fica a cerca de 390 milhões de anos-luz da Terra. Os enxames de galáxias são as maiores estruturas do Universo mantidas juntas pela gravidade, contendo milhares de galáxias individuais, matéria escura e gás quente.

No centro do enxame de Ofiúco, existe uma grande galáxia que contém um buraco negro super-massivo. Os cientistas pensam que a fonte da erupção gigantesca é este buraco negro.

Embora os buracos negros sejam famosos por puxar material na sua direcção, normalmente expelem quantidades prodigiosas de material e energia. Isto ocorre quando a matéria que cai em direcção ao buraco negro é redireccionada para jactos, ou feixes, expelidos para o espaço e que chocam com qualquer material circundante.

As observações do Chandra relatadas em 2016 revelaram pela primeira vez pistas da explosão gigante no enxame de galáxias de Ofiúco. Norbert Werner e colegas divulgaram a descoberta de uma invulgar borda curva na imagem do enxame pelo Chandra. Consideraram se isso representava parte da parede de uma cavidade no gás quente criado pelos jactos do buraco negro super-massivo. No entanto, descartaram essa possibilidade, em parte porque seria necessária uma quantidade enorme de energia para o buraco negro criar uma cavidade tão grande.

O estudo mais recente por Giacintucci e colegas mostra que ocorreu, de facto, uma enorme explosão. Primeiro, mostraram que a aresta curva também é detectada pelo XMM-Newton, confirmando a observação do Chandra. O seu avanço crucial foi a utilização de novos dados de rádio do MWA e do arquivo do GMRT para mostrar que a orla curva faz realmente parte da parede de uma cavidade, porque faz fronteira com uma região cheia de emissão de rádio. Esta emissão é de electrões acelerados até quase à velocidade da luz. A aceleração provavelmente teve origem no buraco negro super-massivo.

“Os dados de rádio cabem dentro dos de raios-X como uma mão numa luva,” disse Maxim Markevitch do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, no estado norte-americano de Maryland. “Este é o argumento decisivo que nos diz que ocorreu aqui uma erupção de tamanho sem precedentes.”

A quantidade de energia necessária para criar a cavidade em Ofiúco é cerca de cinco vezes maior que o recordista anterior, MS 0735+74, e centenas de milhares de vezes maior que os enxames típicos.

A erupção do buraco negro deve ter terminado porque os cientistas não vêm nenhuma evidência de jactos actuais nos dados de rádio. Este desligar pode ser explicado pelos dados do Chandra, que mostram que o gás mais denso e mais frio visto em raios-X está actualmente localizado numa posição diferente da galáxia central. Se este gás se tiver afastado da galáxia, terá privado o buraco negro de combustível para o seu crescimento, desligando os jactos.

Este deslocamento de gás é provavelmente provocado pelo “vascolejar” do gás em torno do meio do enxame, como vinho num copo. Normalmente, a fusão de dois enxames de galáxias desencadeia tal agitação, mas aqui pode ter sido despoletada pela erupção.

Um enigma é que apenas é vista uma região gigante de emissão de rádio, pois estes sistemas geralmente contêm duas em lados opostos do buraco negro. É possível que o gás do outro lado da cavidade do enxame seja menos denso, de modo que as emissões de rádio desvaneceram mais rapidamente.

“Como costuma ser o caso na astrofísica, precisamos realmente de observações em vários comprimentos de onda para entender verdadeiramente os processos físicos em funcionamento,” disse Melanie Johnston-Hollitt, co-autora do ICRAR (International Centre for Radio Astronomy) na Austrália. “Graças às informações combinadas de telescópios de raios-X e de rádio, conseguimos revelar esta fonte extraordinária, mas serão necessários mais dados para responder às muitas perguntas restantes que este objecto coloca.”

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na edição de 27 de Fevereiro da revista The Astrophysical Journal.

Astronomia On-line
3 de Março de 2020

 

 

2923: 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