Dois “pavões” cósmicos mostram história violenta das Nuvens de Magalhães

CIÊNCIA

Imagens ALMA das duas nuvens moleculares N159E-Nebulosa Papillon (esquerda) e N149W Sul (direita). O vermelho e verde mostram a distribuição do gás molecular com diferentes velocidades visto na emissão de 13CO. A região azul em N159E-Nebulosa Papillon mostra o hidrogénio gasoso ionizado observado com o Telescópio Espacial hubble. A parte azul em N159W Sul mostra a emissão das partículas de poeira obtida com o ALMA.
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Fukui et al./Tokuda et al./Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA

Duas nuvens de gás em forma de pavão foram reveladas na Grande Nuvem de Magalhães (GNM) por observações com o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array). Uma equipa de astrónomos descobriu várias estrelas bebés massivas nas complexas nuvens filamentares, o que está bem de acordo com simulações de computador de colisões gigantescas de nuvens de gás. Os investigadores interpretam isto como significando que os filamentos e as estrelas jovens são evidências reveladoras de interacções violentas entre a GNM e a Pequena Nuvem de Magalhães (PNM) há 200 milhões de anos atrás.

Os astrónomos sabem que as estrelas são formadas no colapso de nuvens no espaço. No entanto, os processos de formação das estrelas gigantes, 10 vezes ou mais massivas que o Sol, não são bem compreendidos porque é difícil empacotar uma quantidade tão grande de material numa pequena região. Alguns cientistas sugerem que as interacções entre galáxias fornecem um ambiente perfeito para a formação estelar massiva. Devido à gravidade colossal, as nuvens nas galáxias são agitadas, esticadas e colidem frequentemente umas com as outras. Uma enorme quantidade de gás é comprimida numa área invulgarmente pequena, o que pode formar as sementes de estrelas massivas.

Uma equipa de investigação usou o ALMA para estudar a estrutura do gás denso em N159, uma movimentada região de formação estelar na GNM. Graças à alta resolução do ALMA, a equipa obteve um mapa muito detalhado das nuvens em duas sub-regiões, N159E – Nebulosa Papillon e N159W Sul.

Curiosamente, as estruturas das nuvens nas duas regiões parecem muito semelhantes: filamentos de gás em forma de leque que se estendem para norte com pivôs nos pontos mais a sul. As observações do ALMA também encontraram várias estrelas bebés massivas nas duas regiões.

“Não é natural que em duas regiões separadas por 150 anos-luz, sejam formadas nuvens com formas semelhantes e que as idades das estrelas bebés sejam semelhantes,” diz Kazuki Tokuda, investigador da Universidade da Prefeitura de Osaka e do Observatório Astronómico Nacional do Japão. “Deve haver uma causa comum para estas características. A interacção entre a GNM e a PNM é um bom candidato.”

Em 2017, Yasuo Fukui, professor da Universidade de Nagoya e a sua equipa revelaram o movimento do hidrogénio gasoso na GNM e descobriram que um componente gasoso logo ao lado de N159 tinha uma velocidade diferente do resto das nuvens. Eles sugeriram a hipótese de que o surto de formação estelar foi provocado por um fluxo massivo de gás da PNM para a GNM, e que este fluxo teve origem num encontro próximo entre as duas galáxias há 200 milhões de anos atrás.

O par de nuvens em forma de pavão nas duas regiões reveladas pelo ALMA encaixa muito bem nesta hipótese. As simulações de computador mostram que muitas estruturas filamentares são formadas num curto espaço de tempo após uma colisão de duas nuvens, o que também apoia esta ideia.

“Pela primeira vez, descobrimos em grande detalhe a ligação entre a formação estelar massiva e as interacções galácticas,” diz Fukui, autor principal de um dos artigos científicos. “Este é um passo importante para entender o processo de formação de grandes enxames estelares nos quais as interacções entre galáxias têm um grande impacto.”

Astronomia On-line
26 de Novembro de 2019

 

2967: Antiga nuvem de gás mostra que as primeiras estrelas devem ter-se formado muito rapidamente

CIÊNCIA

Os astrónomos encontraram uma nuvem pristina de gás nas proximidades de um dos mais distantes quasares conhecidos, apenas 850 milhões de anos após o Big Bang. (1/14 da idade actual do Universo). A nuvem de gás absorve parte da luz do quasar de fundo, deixando assinaturas que permitem que os astrónomos estudem a sua composição química. Esta é a mais distante nuvem de gás para a qual os astrónomos conseguiram medir, até à data, a sua metalicidade. Este sistema tem das quantidades mais baixas de metais já identificadas numa nuvem de gás mas as proporções dos seus elementos químicos ainda são semelhantes às dos sistemas mais modernos.
Crédito: Departamento gráfico da Sociedade Max Planck

Astrónomos liderados por Eduardo Bañados do Instituto Max Planck para Astronomia descobriram uma nuvem de gás que contém informação sobre uma fase inicial da formação estelar e galáctica, apenas 850 milhões de anos após o Big Bang. A nuvem foi encontrada por acaso durante observações de um quasar distante e possui as propriedades que os astrónomos esperam dos precursores das galáxias anãs actuais. Quando se trata de abundância relativa, a química da nuvem é surpreendentemente moderna, mostrando que as primeiras estrelas do Universo devem ter-se formado muito rapidamente após o Big Bang. Os resultados foram publicados na revista The Astrophysical Journal.

Quando os astrónomos observam objectos distantes, olham necessariamente para trás no tempo. A nuvem de gás descoberta por Bañados et al. está tão distante que a sua luz levou quase 13 mil milhões de anos para chegar até nós; por outro lado, a luz que nos chega agora diz-nos como era o seu aspecto há quase 13 mil milhões de anos, não mais do que 850 milhões de anos após o Big Bang. Para os astrónomos, esta é uma época extremamente interessante. Nas primeiras centenas de milhões de anos do Universo, formaram-se as primeiras estrelas e galáxias, mas os detalhes desta evolução complexa ainda são amplamente desconhecidos.

Esta nuvem de gás muito distante foi uma descoberta fortuita. Bañados, na altura no Instituto Carnegie para Ciência, e colegas estavam a acompanhar vários quasares num levantamento de 15 dos mais distantes quasares conhecidos (z³6.5), que havia sido preparado por Chiara Mazzucchelli como parte da sua investigação de doutoramento no Instituto Max Planck para Astronomia. Ao início, os investigadores apenas observaram que o quasar P183+05 tinha um espectro bastante invulgar. Mas quando Bañados analisou um espectro mais detalhado, obtido com os Telescópios Magalhães no Observatório Las Campanas, no Chile, ele reconheceu que algo mais se passava aqui: as estranhas características espectrais eram os traços de uma nuvem de gás muito próxima do quasar distante – uma das nuvens de gás mais distantes que os astrónomos conseguiram identificar.

Os quasares são os núcleos activos extremamente brilhantes de galáxias distantes. A força por trás da sua luminosidade é o buraco negro super-massivo central da galáxia. A matéria que gira em torno deste buraco negro (antes de cair) é aquecida até temperaturas de centenas de milhares de graus, emitindo enormes quantidades de radiação. Isto permite que os astrónomos usem quasares como fontes de fundo para detectar hidrogénio e outros elementos químicos na absorção: se uma nuvem de gás estiver directamente entre o observador e um quasar distante, parte da luz do quasar será absorvida.

Os astrónomos podem detectar esta absorção estudando o espectro do quasar, isto é, a decomposição do “arco-íris” da luz do quasar nas diferentes regiões de comprimento de onda. O padrão de absorção contém informação sobre a composição química, temperatura, densidade e até a distância da nuvem (até nós e até ao quasar). Por trás disto está o facto de que cada elemento químico possui uma “impressão digital” de linhas espectrais – regiões específicas de comprimentos de onda nos quais os átomos desses elementos podem emitir ou absorver luz particularmente bem. A presença de uma impressão digital característica revela a presença e abundância de um elemento químico específico.

Do espectro da nuvem de gás, os investigadores puderam perceber imediatamente a distância da nuvem e que estavam a observar os primeiros mil milhões de anos da história cósmica. Também encontraram traços de vários elementos químicos, incluindo carbono, oxigénio, ferro e magnésio. No entanto, a quantidade destes elementos era minúscula, cerca de 1/800 vezes a abundância na atmosfera do nosso Sol. Os astrónomos sumariamente chamam todos os elementos mais pesados do que o hélio de “metais”; esta medição torna a nuvem de gás um dos sistemas mais pobres em metais (e distantes) conhecidos do Universo. Michael Rauch do Instituto Carnegie para Ciência, co-autor do novo estudo, disse: “Depois de ficarmos convencidos de que estávamos a observar este gás primitivo apenas 850 milhões de anos após o Big Bang, começámos a querer saber se este sistema ainda podia reter assinaturas químicas produzidas pela primeira geração de estrelas.”

A descoberta desta primeira geração, a chamada “população III” de estrelas, é um dos objectivos mais importantes na reconstrução da história do Universo. No universo posterior, elementos químicos mais pesados do que o hidrogénio desempenham um papel importante ao permitir que as nuvens de gás colapsem para formar estrelas. Mas estes elementos químicos, principalmente o carbono, são produzidos em estrelas e expelidos para o espaço por explosões de super-novas. Para as primeiras estrelas, estes facilitadores químicos simplesmente não estariam lá, já que logo após a fase do Big Bang, havia apenas átomos de hidrogénio e hélio. É isso que torna as primeiras estrelas fundamentalmente diferentes de todas as estrelas posteriores.

A análise mostrou que a composição química da nuvem não era quimicamente primitiva, mas que as abundâncias relativas eram surpreendentemente semelhantes às abundâncias químicas observadas nas nuvens de gás intergalácticas de hoje. As proporções das abundâncias de elementos mais pesados estão muito próximas das proporções no Universo moderno. O facto desta nuvem de gás do Universo primitivo já conter metais com abundâncias químicas relativas modernas coloca desafios importantes para a formação da primeira geração de estrelas.

Este estudo implica que a formação das primeiras estrelas neste sistema deve ter começado muito antes: os rendimentos químicos esperados das primeiras estrelas já haviam sido “apagados” pelas explosões de pelo menos mais uma geração de estrelas. Uma restrição de tempo específica vem das super-novas do tipo Ia, explosões cósmicas que seriam necessárias para produzir metais com as abundâncias relativas observadas. Tais super-novas geralmente precisam de mais ou menos mil milhões de anos para acontecer, o que coloca uma séria restrição em quaisquer cenários da formação das primeiras estrelas.

Agora que os astrónomos encontraram esta nuvem muito antiga, estão sistematicamente à procura de exemplos adicionais. Eduardo Bañados comentou: “É empolgante poder medir a metalicidade e as abundâncias químicas tão cedo na história do Universo, mas se queremos identificar as assinaturas das primeiras estrelas, precisamos de observar ainda cedo na história cósmica. Estou optimista de que vamos encontrar nuvens de gás ainda mais distantes, o que poderá ajudar a entender como as primeiras estrelas nasceram.”

Astronomia On-line
5 de Novembro de 2019