2374: Como os buracos negros moldam galáxias

Impressão de artista que mostra como os ventos ultra-rápidos soprados por um buraco negro super-massivo interage com a matéria interestelar na galáxia hospedeira, limpando gás das suas regiões centrais.
Crédito: ESA/ATG medialab

Dados do observatório de raios-X XMM-Newton da ESA revelaram como os buracos negros super-massivos moldam as suas galáxias hospedeiras com ventos fortes que varrem a matéria interestelar.

Num novo estudo, os cientistas analisaram oito anos de observações do XMM-Newton do buraco negro no centro de uma galáxia activa conhecida como PG 1114+445, mostrando como os ventos ultra-rápidos – fluxos de gás emitidos do disco de acreção muito próximo do buraco negro – interagem com a matéria interestelar nas partes centrais da galáxia. Estes fluxos já tinham sido vistos antes, mas o novo estudo identifica claramente, e pela primeira vez, três fases da sua interacção com a galáxia hospedeira.

“Estes ventos podem explicar algumas correlações surpreendentes que os cientistas conhecem há anos, mas que não conseguiam explicar,” disse o autor principal Roberto Serafinelli do Instituto Nacional de Astrofísica de Milão, Itália, que realizou a maior parte do trabalho como parte do seu doutoramento na Universidade de Roma Tor Vergata.

“Por exemplo, vemos uma correlação entre as massas de buracos negros super-massivos e a dispersão de velocidade das estrelas nas partes internas das suas galáxias hospedeiras. Mas não há como tal se deva ao efeito gravitacional do buraco negro. O nosso estudo mostra, pela primeira vez, como estes ventos de buracos negros impactam a galáxia em maior escala, possivelmente fornecendo o elo que faltava.”

Os astrónomos já haviam detectado dois tipos de fluxos nos espectros de raios-X emitidos pelos núcleos activos das galáxias, as densas regiões centrais das galáxias conhecidas por conter buracos negros super-massivos. Os chamados fluxos ultra-rápidos (em inglês “ultra-fast outflows”, ou UFOs), feitos de gás altamente ionizado, viaja a velocidades de até 40% da velocidade da luz e são observáveis nas proximidades do buraco negro central.

Os fluxos mais lentos, conhecidos como absorvedores quentes, viajam a velocidades muito mais baixas, de centenas de quilómetros por segundo, e possuem características físicas semelhantes – como densidade de partículas e ionização – à matéria interestelar circundante. É mais provável que esses fluxos mais lentos sejam detectados a distâncias maiores dos centros das galáxias.

No novo estudo, os cientistas descrevem um terceiro tipo de fluxo que combina características dos dois anteriores: a velocidade de um UFO e as propriedades físicas de um absorvedor quente.

“Nós pensamos que este é o ponto em que o UFO toca a matéria interestelar e varre-a como um limpa-neves,” disse Serafinelli. “Nós chamamos a isto ‘escoamento ultra-rápido de arrasto’ porque o UFO neste estágio está a penetrar na matéria interestelar. É similar ao vento que empurra os barcos no mar.”

Este arrasto acontece a uma distância de dezenas a centenas de anos-luz do buraco negro. O UFO gradualmente empurra a matéria interestelar para longe das partes centrais da galáxia, limpando-a do gás e diminuindo a acreção da matéria em redor do buraco negro super-massivo.

Embora os modelos já tenham previsto antes este tipo de interacção, o estudo actual é o primeiro a apresentar observações reais das três fases.

“Nos dados do XMM-Newton, podemos ver material a distâncias maiores do centro da galáxia que ainda não foi perturbado pelo UFO interno,” disse o co-autor Francesco Tombesi da Universidade de Roma Tor Vergata e do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA. “Também podemos ver nuvens mais próximas do buraco negro, perto do núcleo da galáxia, onde o UFO começou a interagir com a matéria interestelar.”

Esta primeira interacção acontece muitos anos depois do UFO ter deixado o buraco negro. Mas a energia do UFO permite que o buraco negro relativamente pequeno tenha impacto sobre o material muito além do alcance da sua força gravitacional.

De acordo com os cientistas, os buracos negros super-massivos transferem a sua energia para o ambiente circundante através desses fluxos e gradualmente limpam as regiões centrais da galáxia de gás, o que pode então interromper a formação estelar. De facto, as galáxias de hoje produzem estrelas com muito menos frequência do que costumavam nos estágios iniciais da sua formação.

“Esta é a sexta vez que estes fluxos são detectados,” acrescentou Serafinelli. “É tudo ciência muito recente. Estas fases do fluxo já tinham sido observadas separadamente, mas a ligação entre elas não era clara até agora.”

A resolução de energia sem precedentes do XMM-Newton foi fundamental para diferenciar os três tipos de características correspondentes aos três tipos de fluxos. No futuro, com observatórios novos e mais poderosos, como o ATHENA (Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics) da ESA, os astrónomos poderão observar centenas de milhares de buracos negros super-massivos, detectando estes fluxos mais facilmente. ATHENA, que será mais de 100 vezes mais sensível do que o XMM-Newton, deverá ser lançado no início da década de 2030.

“A descoberta de uma fonte é excelente, mas o saber que este fenómeno é comum no Universo seria um grande avanço,” comentou Norbert Schartel, cientista do projecto XMM-Newton da ESA. “Mesmo com o XMM-Newton, podemos encontrar mais destas fontes na próxima década.”

Mais dados, no futuro, vão ajudar a desvendar as complexas interacções entre os buracos negros super-massivos e as suas galáxias hospedeiras em detalhe e a explicar a diminuição na formação estelar que os astrónomos observam ter ocorrido ao longo de milhares de milhões de anos.

Astronomia On-line
26 de Julho de 2019

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Astrofísica anuncia a sua descoberta de “quasares frios” que podem reescrever como as galáxias morrem

Impressão de artista que ilustra um quasar energético que limpou o centro da sua galáxia de gás e poeira, e os ventos estão agora a propagar-se para os arredores. Em pouco tempo não haverá mais gás e poeira, permanecerá apenas um quasar luminoso azul.
Crédito: Michelle Vigeant

Durante a 234.ª reunião da Sociedade Astronómica Americana em St. Louis, Allison Kirkpatrick, professora assistente de física e astronomia da Universidade do Kansas, anunciou a sua descoberta de “quasares frios” – galáxias com abundância de gás frio que ainda podem produzir novas estrelas apesar de terem um quasar no centro. A descoberta revolucionária subverte suposições sobre a maturação de galáxias e pode representar uma fase do ciclo de vida de todas as galáxias, desconhecida até agora.

Um quasar, ou “fonte de rádio quase estelar”, é essencialmente um buraco negro super-massivo em esteróides. O gás que cai em direcção a um quasar no centro de uma galáxia forma um “disco de acreção”, que pode lançar uma quantidade incompreensível de energia electromagnética, muitas vezes com uma luminosidade centenas de vezes maior do que uma galáxia típica. Normalmente, a formação de um quasar é semelhante à aposentação galáctica e há muito que se pensa assinalar o fim da capacidade de uma galáxia em produzir novas estrelas.

“Todo o gás que está a ser acretado pelo buraco negro é aquecido e emite raios-X,” disse Kirkpatrick. “O comprimento de onda da luz que é libertada corresponde ao quão quente algo é. Por exemplo, nós humanos emitimos radiação infravermelha. Mas algo que emite raios-X é das coisas mais quentes do Universo. Este gás começa a acumular-se no buraco negro e começa a mover-se a velocidades relativistas; também temos um campo magnético em torno deste gás, que pode ficar torcido. Da mesma forma que temos proeminências solares, também temos jactos de material que passam por estas linhas do campo magnético e são atirados para longe do buraco negro. Estes jactos essencialmente sufocam o reservatório de gás da galáxia, de modo que mais nenhum gás pode cair sobre a galáxia e formar novas estrelas. Quando uma galáxia deixa de produzir estrelas, dizemos que é uma galáxia morta e passiva.”

Mas, no levantamento de Kirkpatrick, cerca de 10% das galáxias que hospedam buracos negros super-massivos em acreção tinham um reservatório de gás frio remanescente depois de entrar nesta fase e ainda criavam novas estrelas.

“Isto, por si só, é surpreendente,” comentou. “Toda esta população é um monte de objectos diferentes. Algumas das galáxias têm assinaturas óbvias de fusões; algumas parecem-se muito com a Via Láctea e têm braços espirais bastante discerníveis. Algumas são muito compactas. Desta população diversa, temos mais 10% realmente únicas e inesperadas. São fontes muito luminosas, compactas e azuis. Parecem-se com buracos negros super-massivos nos estágios finais, depois de terem “desligado” toda a formação estelar de uma galáxia. Estão a evoluir para uma galáxia elíptica passiva, no entanto também encontrámos nelas muito gás frio. Esta é a população que estou a chamar de “quasares frios”.

A astrofísica da Universidade do Kansas suspeitou que os “quasares frios” da sua investigação representavam um breve período ainda por reconhecer das fases finais da vida de uma galáxia – em termos da vida humana, a fugaz fase do “quasar frio” pode ser algo parecido a uma festa de aposentação de uma galáxia.

“Estas galáxias são raras porque estão em fase de transição – observámo-las logo antes da formação estelar ficar extinta e este período de transição deve ser muito curto,” disse.

Kirkpatrick identificou pela primeira vez os objectos de interesse numa área do SDSS (Sloan Digital Sky Survey), o mapa digital mais detalhado do Universo actualmente disponível. Numa área denominada “Stripe 82,” Kirkpatrick e colegas conseguiram identificar visualmente os quasares.

“Então estudámos esta área em raios-X com o telescópio XMM-Newton,” acrescentou. “Os raios-X são a principal assinatura dos buracos negros em crescimento. Seguidamente, recorremos ao Telescópio Espacial Herschel, um telescópio infravermelho que pode detectar gás e poeira na galáxia hospedeira. Nós seleccionámos as galáxias que conseguimos encontrar tanto em raios-X quanto no infravermelho.”

A investigadora disse que as suas descobertas dão aos cientistas uma nova compreensão e detalhes de como a extinção de formação estelar nas galáxias ocorre e que anulam vários pressupostos sobre os quasares.

“Já sabíamos que os quasares passam por uma fase de poeira obscurante,” disse Kirkpatrick. “Nós sabíamos que passam por uma fase muito encoberta onde a poeira cerca o buraco negro super-massivo. Nós chamamos a isto de fase de quasar vermelho. Mas agora encontrámos este regime único de transição que não conhecíamos. Antes, se disséssemos a alguém que tínhamos encontrado um quasar luminoso com um tom óptico azulado – mas que ainda tinha muita poeira, muito gás e muita formação estelar – esse alguém diria: ‘Não, não é esse o aspecto destas coisas.'”

Kirkpatrick espera, no futuro, determinar se a fase de “quasar frio” ocorre com uma classe específica de galáxia ou com todas as galáxias.

“Nós pensámos que estas coisas acontecem quando temos um buraco negro em crescimento, coberto por poeira e gás, e começa a soprar este material,” disse. “Torna-se então um objecto azul luminoso. Assumimos que, quando expele o seu próprio gás, expele também o gás hospedeiro. Mas parece que com estes objectos, não é este o caso. Estes expelem a sua própria poeira – de modo que os vemos como um objecto azul – mas ainda não dissiparam toda a poeira e gás das galáxias hospedeiras. Esta é uma fase de transição, digamos de 10 milhões de anos. Em escalas de tempo universais, isto é realmente curto – e é difícil observar. Estamos a fazer o que chamamos de pesquisa cega para encontrar objectos que não estávamos à procura. E, ao encontrarmos estes objectos, sim, isso poderá implicar que acontece com todas as galáxias.”

Kirkpatrick recolheu dados até 2015 com o Telescópio XMM-Newton, um telescópio de raios-X altamente produtivo operado pela ESA. O seu trabalho faz parte de uma colaboração chamada História de Acreção dos AGN (Active Galactic Nuclei) liderada pela astrofísica Meg Urry da Universidade de Yale, que reúne dados de arquivo e realiza uma análise em vários comprimentos de onda.

Astronomia On-line
14 de Junho de 2019

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1781: Descobertas “chaminés” galácticas que canalizam matéria do centro da Via Láctea

Z. Levay and R. van der Marel, STScI; T. Hallas; and A. Mellinger / NASA, ESA

A sonda XMM-Newton encontrou duas estruturas parecidas com “chaminés” gigantes que canalizam matéria de perto de um buraco negro super-massivo no centro da Via Láctea para duas enormes bolhas cósmicas.

O centro da nossa galáxia é um autêntico frenesim. Um buraco negro gigantesco – com quatro milhões de vezes mais massivo do que o Sol – explode energia ao chocar com os detritos interestelares, enquanto as estrelas vizinhas ganham vida, explodindo subsequentemente.

Agora, uma equipa internacional de astrónomos descobriu dois canais de exaustão – apelidados de “chaminés do centro galáctico” – que parecem afunilar a matéria e a energia dos fogos de artifício cósmicos no centro da Via Láctea, a cerca de 28.000 anos-luz da Terra. O artigo científico foi recentemente publicado na Nature.

“A nossa hipótese é a de que estas chaminés são aberturas de exaustão para toda a energia libertada no centro da Via Láctea“, explicou Mark Morris, professor de astronomia e astrofísica da Universidade da Califórnia em Los Angeles (UCLA).

Todas as galáxias são gigantescas fábricas de formação de estrelas, mas a sua produtividade pode variar. Segundo o Science Daily, um mecanismo que afoga a taxa de produção de estrelas é a fonte de matéria e energia que é lançada pelo pesado buraco negro que se esconde no centro de uma galáxia.

É a formação de estrelas que define o carácter de uma galáxia “e essa é uma característica com a qual nos preocupamos, uma vez que as estrelas produzem elementos pesados dos quais os planetas, e a vida, são feitos”.

Para entender melhor o que acontece com o fluxo de energia, Morris e a sua equipa apontaram o satélite XMM-Newton, da Agência Espacial Europeia (ESA), que detecta os raios X cósmicos, em direcção ao centro da Via Láctea.

Os raios X são emitidos por gás extremamente quente. Por esse motivo, são especialmente úteis para mapear ambientes energéticos no espaço.

Nas imagens recolhidos de 2016 a 2018 e em 2012, os cientistas descobriram duas plumas de raios Xas chaminés do centro galáctico – que se estendem em direcções opostas a partir do centro da galáxia. Cada pluma origina-se a cerca de 160 anos-luz do buraco negro super-massivo e estende-se por 500 anos-luz.

As chaminés ligam-se a duas estruturas gigantescas, conhecidas como bolhas de Fermi – cavidades esculpidas no gás que envolve a galáxia. As bolhas, cheias de partículas de alta velocidade, ocupam o centro da galáxia e estendem-se por 25.000 anos-luz em qualquer direcção.

Alguns astrónomos suspeitam de que as bolhas de Fermi são relíquias de erupções maciças do buraco negro super-massivo, enquanto outros acham que as bolhas são destruídas por hordas de estrelas recém-nascidas. De qualquer forma, as chaminés poderiam ser os canais pelos quais as partículas de alta velocidade chegam lá.

Compreender como a energia faz o seu caminho do centro de uma galáxia para os seus limites externos poderia fornecer luzes sobre o motivo pelo qual algumas galáxias explodem com a formação de estrelas, enquanto outras permanecem inactivas.

“Em casos extremos, a fonte de energia pode desencadear ou bloquear a formação de estrelas na galáxia”, afirmou Morris.

Sendo a Via Láctea um protótipo de galáxias espirais, a descoberta pode ajudar a esclarecer o comportamento típico de galáxias como a nossa. “A quantidade de energia que sai do centro da nossa galáxia é limitada, mas é um bom exemplo de um centro galáctico que podemos observar e tentar entender”, concluiu o investigador.

ZAP //

Por ZAP
30 Março, 2019

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1535: Galáxias activas apontam para nova física na expansão do cosmos

Impressão de artista de quasares, os núcleos de galáxias onde um buraco negro super-massivo está a puxar matéria dos seus arredores a velocidades muito elevadas, localizados a distâncias cada vez maiores.
À medida que o material cai para o buraco negro, forma um disco giratório que irradia no visível e no ultravioleta; esta radiação, por sua vez, aquece os electrões próximos, produzindo raios-X. A relação entre o brilho ultravioleta e raios-X dos quasares pode ser usada para estimar a distância até estas fontes – algo que é notoriamente complicado em astronomia – e, em última análise, estudar a história da expansão do Universo.
Uma equipa de astrónomos aplicou este modelo a uma grande amostra de quasares observados pelo XMM-Newton para investigar a história do nosso cosmos até há 12 mil milhões de anos e descobriu que pode haver algo mais na expansão inicial do Universo do que o previsto pelo modelo cosmológico padrão.
Crédito: ESA (impressão de artista e composição); NASA/ESA (galáxias de fundo)

Ao investigar a história do nosso cosmos com uma grande amostra de galáxias “activas” distantes observadas pelo XMM-Newton da ESA, uma equipa de astrónomos descobriu que pode haver algo mais na expansão inicial do Universo do que o previsto pelo modelo cosmológico padrão.

De acordo com o cenário mais aceite, o nosso Universo contém apenas uma pequena percentagem de matéria comum. Um-quarto do cosmos é composto por matéria escura, que podemos sentir gravitacionalmente, mas não observar, e o resto consiste na ainda mais misteriosa energia escura que está a impulsionar a actual aceleração da expansão do Universo.

Este modelo é baseado numa infinidade de dados recolhidos ao longo das últimas décadas, desde o fundo cósmico de micro-ondas, a primeira luz na história do cosmos, libertada apenas 380.000 anos após o Big Bang e observada em detalhes sem precedentes pela missão Planck da ESA – até observações mais “locais”. Estas últimas incluem explosões de super-nova, enxames galácticos e distorções gravitacionais impressas pela matéria escura em galáxias distantes, e podem ser usadas para traçar a expansão cósmica em épocas recentes da história cósmica – ao longo dos últimos nove mil milhões de anos.

Um novo estudo, por Guido Risaliti da Universidade de Florença, Itália, e Elisabeta Lusso da Universidade de Durham, Reino Unido, aponta para outro tipo de rastreador cósmico – quasares – que preencheriam parte da lacuna entre essas observações, medindo a expansão do Universo até há 12 mil milhões de anos.

Os quasares são os núcleos de galáxias onde um buraco negro super-massivo está a puxar matéria dos seus arredores a velocidades muito elevadas, brilhando através do espectro electromagnético. À medida que o material cai para o buraco negro, forma um disco giratório que irradia no visível e no ultravioleta; esta radiação, por sua vez, aquece os electrões próximos, produzindo raios-X.

Há três anos, Guido e Elisabeta perceberam que uma relação bem conhecida entre o brilho ultravioleta e raios-X dos quasares podia ser usada para estimar a distância até essas fontes – algo que é notoriamente complicado em astronomia – e, em última análise, estudar a história da expansão do Universo.

As fontes astronómicas cujas propriedades permitem-nos avaliar as suas distâncias são chamadas “velas padrão”.

A classe mais notável, as super-novas do tipo Ia, consiste no espectacular desaparecimento das anãs brancas depois de terem engolido demasiado material de uma estrela companheira, gerando explosões de brilho previsível que permitem com que os astrónomos determinem a distância. As observações destas super-novas, no final da década de 1990, revelou a expansão acelerada do Universo nos últimos milhares de milhões de anos.

“A utilização de quasares como velas padrão tem grande potencial, já que podemos observá-los a distâncias muito maiores do que as super-novas do tipo Ia, e assim usá-los para investigar épocas muito mais para trás no Universo,” explica Elisabeta.

Com uma amostra considerável de quasares em mão, os astrónomos colocaram agora o seu método em prática, e os resultados são interessantes.

Vasculhando o arquivo do XMM-Newton, recolheram dados de raios-X para mais de 7000 quasares, combinando-os com observações ultravioletas do SDSS (Sloan Digital Sky Survey). Também usaram um novo conjunto de dados, obtidos especialmente com o XMM-Newton em 2017 para observar quasares muito distantes, observando-os como eram quando o Universo tinha apenas dois mil milhões de anos. Finalmente, complementaram os dados com um pequeno número de quasares ainda mais longínquos e com alguns relativamente próximos, estudados com os observatórios de raios-X Chandra e Swift da NASA, respectivamente.

“Uma amostra tão grande permitiu-nos escrutinar a relação entre a emissão de raios-X e ultravioleta por parte dos quasares em grande detalhe, o que refinou em muito a nossa técnica para estimar a distância,” explica Guido.

As novas observações do XMM-Newton de quasares distantes são tão boas que a equipa até identificou dois grupos diferentes: 70% das fontes brilham intensamente com raios-X de baixa energia, enquanto os restantes 30% emitem quantidades mais baixas de raios-X caracterizados por energias mais altas. Para a análise, apenas mantiveram o primeiro grupo de fontes, no qual a relação entre as emissões de raios-X e ultravioleta parece mais clara.

“É incrível que possamos discernir este nível de detalhe em fontes tão distantes de nós que a sua luz viajou durante dez mil milhões de anos até cá chegar,” comenta Norbert Schartel, cientista do projecto XMM-Newton da ESA.

Depois de examinarem os dados e de restringir a amostra até mais ou menos 1600 quasares, os astrónomos ficaram com as melhores observações, levando a estimativas robustas da distância até estas fontes que podiam usar para investigar a expansão do Universo.

“Quando combinamos a amostra, que abrange quase 12 mil milhões de anos de história cósmica, com a amostra mais local de super-novas do tipo Ia, que cobre apenas aproximadamente os últimos 8 mil milhões de anos, encontramos resultados semelhantes nas épocas que se sobrepõem,” explica Elisabeta.

“No entanto, nas fases anteriores que só podemos estudar com os quasares, encontramos uma discrepância entre a evolução observada do Universo e o que poderíamos prever com base no modelo cosmológico padrão.”

Ao examinarem este período anteriormente pouco explorado da história cósmica com a ajuda dos quasares, os astrónomos revelaram uma possível tensão no modelo cosmológico padrão, o que poderá exigir a adição de novos parâmetros para reconciliar os dados com a teoria.

“Uma das possíveis soluções seria invocar uma energia escura em evolução, com uma densidade que aumenta com o passar do tempo,” diz Guido.

Incidentalmente, este modelo em particular também aliviaria outra tensão que tem mantido os cosmólogos ocupados ultimamente, no que concerne à constante de Hubble – a actual velocidade de expansão do Universo. Esta discrepância foi encontrada em estimativas da constante de Hubble no Universo local, com base em dados de super-novas – e, independentemente, em enxames de galáxias – e em observações pelo Planck do fundo cósmico de micro-ondas no Universo primordial.

“Este modelo é bastante interessante porque pode resolver dois enigmas de uma só vez, mas ainda não há certezas e temos que examinar muitos mais modelos em grande detalhe antes de podermos dissipar este puzzle da cosmologia,” acrescenta Guido.

A equipa está ansiosa por observar ainda mais quasares no futuro a fim de refinar os seus resultados. Pistas adicionais poderão vir da missão Euclides da ESA, com lançamento previsto para 2022 e que vai explorar os últimos dez mil milhões de anos da expansão cósmica e investigar a natureza da energia escura.

“Estes são tempos interessantes para investigar a história do nosso Universo, e é emocionante que o XMM-Newton possa contribuir observando uma época cósmica que se manteve em grande parte inexplorada até agora,” conclui Norbert.

Astronomia On-line
29 de Janeiro de 2019

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1496: XMM-Newton capta gritos finais de estrela dilacerada por buraco negro

A fonte cósmica chamada ASASSN-14li, escondendo um buraco negro com pelo menos um milhão de vezes a massa do Sol, que dilacerou e devorou uma estrela próxima, pelo instrumento EPIC (European Photon Imaging Camera) a bordo do observatório de raios-X XMM-Newton da ESA.
As observações de ASASSN-14li revelaram um sinal extremamente brilhante e estável que oscilou ao longo de 131 segundos durante muito tempo: 450 dias.
Combinando esta informação com a massa e tamanho do buraco negro, os astrónomos descobriram que o objeto deve girar muito depressa – a mais de 50% da velocidade da luz – e que o sinal veio das suas regiões mais internas.
Crédito: ESA/XMM-Newton

Recorrendo ao observatório espacial XMM-Newton da ESA, os astrónomos estudaram um buraco negro que devorava uma estrela e descobriram um sinal estável excepcionalmente brilhante que lhes permitiu determinar a velocidade de rotação do buraco negro.

Pensa-se que os buracos negros se escondam no centro de todas as galáxias massivas espalhadas pelo Universo, e estão inexplicavelmente ligados às propriedades das suas galáxias hospedeiras. Como tal, quanto mais soubermos sobre estes gigantes mais podemos compreender como as galáxias evoluem com o tempo.

A gravidade de um buraco negro é extrema e pode dilacerar estrelas que se aproximem demais. Os detritos destas estrelas rasgadas espiralam na direcção do buraco negro, aquecem e emitem intensos raios-X.

Apesar do grande número de buracos negros que se pensa existir no cosmos, muitos estão inactivos – não há material em queda para emitir radiação detectável – e, portanto, são difíceis de estudar. No entanto, a cada poucas centenas de milhares de anos, prevê-se que uma estrela passe perto o suficiente de um determinado buraco negro para ser destruída. Isto fornece uma breve janela de oportunidade para medir algumas propriedades fundamentais do buraco negro, como a sua massa e a velocidade de rotação.

“É muito difícil restringir a rotação de um buraco negro, já que os efeitos de rotação só emergem muito perto do próprio buraco negro, onde a gravidade é intensamente forte e difícil de ver claramente,” afirma Dheeraj Pasham do Instituto Kavli para Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT em Massachusetts, EUA, autor principal do novo estudo.

“No entanto, os modelos mostram que a massa de uma estrela despedaçada se instala numa espécie de disco interno que liberta raios-X. Nós teorizámos que a descoberta de instâncias de discos especialmente brilhantes seria uma boa maneira de restringir a rotação de um buraco negro, mas as observações de tais eventos não foram suficientemente sensíveis para explorar em detalhe essa região de forte gravidade – até agora”

Dheeraj e colegas estudaram um evento chamado ASASSN-14li.

ASASSN-14li foi descoberto pelo levantamento terrestre ASASSN (All-Sky Automated Survey for SuperNovae) no dia 22 de Novembro de 2014. O buraco negro ligado ao evento é pelo menos um milhão de vezes mais massivo que o Sol.

“ASASSN-14li é apelidado de ‘Pedra de Roseta’ destes eventos,” acrescenta Dheeraj. “Todas as suas propriedades são características deste tipo de evento, e já foi estudado por todos os principais telescópios de raios-X actualmente em operação.”

Usando observações de ASASSN-14li pelo XMM-Newton da ESA e pelos observatórios Chandra e Swift da NASA, os cientistas procuraram um sinal que fosse estável e mostrasse um padrão de ondas característico que geralmente ocorre quando um buraco negro recebe um influxo súbito de massa – como quando devora uma estrela passageira.

Eles detectaram um sinal surpreendentemente intenso de raios-X que oscilou durante um período de 131 segundos e durante muito tempo: 450 dias.

Combinando este sinal com informação sobre a massa e tamanho do buraco negro, os astrónomos descobriram que o buraco negro deve estar a girar rapidamente – a mais de 50% da velocidade da luz – e que o sinal vinha das suas regiões mais internas.

“É uma descoberta excepcional: nunca tinha sido observado um sinal tão brilhante, tão estável, por tanto tempo, na vizinhança de qualquer buraco negro,” realça Alessia Franchini da Universidade de Milão, na Itália.

“Além disso, o sinal vem de muito perto do horizonte de eventos do buraco negro – para lá deste ponto, não conseguimos observar nada, pois a gravidade é tão forte que nem a luz pode escapar.”

O estudo demonstra uma nova maneira de medir a rotação de buracos negros supermassivos: observando a sua actividade quando interrompem a passagem de estrelas com a sua gravidade. Tais eventos também nos podem ajudar a compreender aspectos da teoria da relatividade geral; embora já tenha sido explorada extensivamente na gravidade “normal”, ainda não é totalmente compreendida em regiões onde a gravidade é excepcionalmente forte.

“O XMM-Newton é incrivelmente sensível a estes sinais, mais do que qualquer outro telescópio de raios-X,” comenta Norbert Schartel, cientista do projecto XMM-Newton da ESA. “O satélite fornece as exposições longas, ininterruptas e detalhadas que são cruciais para detectar sinais como este.

“Estamos apenas a começar a entender a física complexa aqui em acção. Ao descobrirmos casos em que a massa de uma estrela dilacerada brilha intensamente, podemos construir um censo dos buracos negros no Universo e investigar como a matéria se comporta em algumas das áreas e condições mais extremas do cosmos.”

Astronomia on-line
18 de Janeiro de 2019

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1479: Telescópios encontram fonte de raios-x no interior de super-nova misteriosa

AT2018cow explodiu dentro de ou próximo da galáxia CGCG 137-068, localizada a cerca de 200 milhões de anos-luz de distância na direcção da constelação de Hércules. Esta ampliação mostra a posição do fenómeno.
Crédito: Sloan Digitized Sky Survey

Os telescópios espaciais de alta energia da ESA, INTEGRAL e XMM-Newton, ajudaram a encontrar uma poderosa fonte de raios-X no centro de uma explosão estelar, de brilho e evolução sem precedentes, que apareceu subitamente no céu.

O telescópio ATLAS no Hawaii foi o primeiro a avistar o fenómeno, desde então chamado AT2018cow, no dia 16 de junho. Pouco tempo depois, astrónomos de todo o mundo apontaram telescópios terrestres e espaciais para o objecto celeste recém-descoberto, localizado numa galáxia a aproximadamente 200 milhões de anos-luz.

Rapidamente perceberam que era algo completamente novo. Em apenas dois dias, o objecto excedeu o brilho de qualquer super-nova observada anteriormente – uma poderosa explosão de uma estrela massiva e velha que expele a maior parte do seu material para o espaço circundante, varrendo a poeira e os gases interestelares na sua vizinhança.

O novo artigo, aceite para publicação na revista The Astrophysical Journal, descreve as observações dos primeiros 100 dias da existência do objecto, cobrindo todo o espectro electromagnético da explosão, desde o rádio até aos raios-gama.

A análise, que inclui observações do INTEGRAL e XMM-Newton da ESA, bem como dos telescópios espaciais NuSTAR e Swift da NASA, encontrou uma fonte de raios-X altamente energéticos situada no interior da explosão.

O comportamento desta fonte, revelado nos dados, sugere que o fenómeno estranho pode ser ou um buraco negro nascente ou uma estrela de neutrões com um poderoso campo magnético, sugando o material circundante.

“A interpretação mais empolgante é que podemos ter visto pela primeira vez o nascimento de um buraco negro ou de uma estrela de neutrões,” comenta Raffaella Margutti da Universidade Northwestern, EUA, autora principal do artigo.

“Sabemos que os buracos negros e as estrelas de neutrões se formam quando as estrelas colapsam e explodem como super-novas, mas nunca vimos tais objectos no momento exacto da sua formação,” acrescenta Indrek Vurm do Observatório Tartu, na Estónia, que trabalhou na modelagem das observações.

A explosão AT2018cow não foi apenas 10 a 100 vezes mais brilhante do que qualquer outra super-nova já observada anteriormente: também atingiu o pico de luminosidade muito mais depressa do que qualquer outro evento conhecido anteriormente – em apenas alguns dias em comparação com as duas semanas normais.

O INTEGRAL fez as suas primeiras observações do fenómeno cerca de cinco dias depois de ter sido relatado e manteve a monitorização durante 17 dias. Os seus dados mostraram-se cruciais para a compreensão do estranho objecto.

“O INTEGRAL estuda uma gama de comprimentos de onda que não é coberta por qualquer outro satélite,” realça Erik Kuulkers, cientista do projecto INTEGRAL da ESA. “Nós temos uma certa sobreposição com o NuSTAR na parte dos raios-X altamente energéticos, mas também podemos observar a energias mais altas.”

Assim, enquanto os dados do NuSTAR revelaram em grande detalhe o espectro de raios-X, com o INTEGRAL os astrónomos foram capazes de ver o espectro inteiro da fonte, incluindo o seu limite superior em raios-gama suaves.

“Vimos uma espécie de ‘solavanco’ com um corte acentuado no espectro mais energético,” explica Volodymyr Savchenko, astrónomo da Universidade de Genebra, na Suíça, que trabalhou nos dados do INTEGRAL. “Este ‘solavanco’ é um componente adicional da radiação libertada pela explosão, brilhando através de um meio opaco ou opticamente espesso.”

“Esta radiação altamente energética veio provavelmente de uma área de plasma muito quente e denso em torno da fonte,” acrescenta Carlo Ferrigno, também da Universidade de Genebra.

Dado que o INTEGRAL continuou a monitorizar a explosão AT2018cow por um maior período de tempo, os seus dados também puderam mostrar que o sinal de raios-X altamente energéticos estava gradualmente a desvanecer.

Raffaella explica que a estes raios-X altamente energéticos que desapareceram se dá o nome radiação reprocessada – radiação da fonte que interage com material expelido pela explosão. À medida que o material se afasta do centro da explosão, o sinal diminui gradualmente e acaba por desaparecer completamente.

No entanto, neste sinal os astrónomos foram capazes de encontrar padrões típicos de um objecto que atrai matéria dos seus arredores – seja um buraco negro ou uma estrela de neutrões.

“É a característica mais invulgar que observámos em AT2018cow e é definitivamente algo sem precedentes no mundo dos eventos astronómicos transientes e explosivos,” diz Raffaella.

Entretanto, o XMM-Newton observou esta explosão invulgar duas vezes nos primeiros 100 dias da sua existência. Detectou a parte menos energética da sua emissão de raios-X que, segundo os astrónomos, vem directamente do “motor” no núcleo da explosão. Ao contrário dos raios-X altamente energéticos provenientes do plasma circundante, ainda são visíveis os raios-X de baixa energia da fonte.

Os astrónomos planeiam usar o XMM-Newton para realizar uma observação de acompanhamento no futuro, o que permitirá com que compreendam o comportamento da fonte ao longo de um maior período de tempo e em grande detalhe.

“Continuamos a analisar os dados do XMM-Newton para tentar compreender a natureza da fonte,” realça a co-autora Giulia Migliori, da Universidade de Bolonha, na Itália, que trabalhou nos dados de raios-X. “A acreção dos buracos negros deixa marcas características em raios-X, que podemos detectar nos nossos dados.”

“Este evento foi completamente inesperado e mostra que há muito que não entendemos completamente,” diz Norbert Scharterl, cientista do projecto XMM-Newton da ESA. “Um satélite, um único instrumento, nunca seria capaz de entender um objecto tão complexo. Os conhecimentos detalhados que pudemos reunir sobre o funcionamento da misteriosa explosão AT2018cow só foram alcançados graças à ampla cooperação e combinação de muitos telescópios.”

Astronomia On-line
15 de Janeiro de 2019

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680: XMM-NEWTON ENCONTRA MATERIAL INTERGALÁCTICO EM FALTA

Impressão de artista do meio intergaláctico morno-quente, uma mistura de gás com temperaturas que variam entre centenas e milhares de graus (morno) a milhões de graus (quente) que permeia o Universo numa teia cósmica filamentar.
Após duas décadas de observações, astrónomos usando o observatório espacial XMM-Newton da ESA (ilustrado no canto inferior direito) detectaram o componente quente deste material intergaláctico, diminuindo a lacuna no orçamento geral da matéria “normal” no cosmos.
A descoberta foi feita usando observações de um quasar distante – uma galáxia massiva com um buraco negro super-massivo no seu centro que está a devorar activamente matéria e a brilhar intensamente em raios-X e no rádio. Observaram este quasar, cuja luz leva mais de quatro mil milhões de anos até chegar até nós, durante um total de 18 dias, divididos entre 2015 e 2017, na mais longa observação de raios-X já realizada para uma fonte deste tipo.
Depois de estudarem os dados, encontraram a assinatura do oxigénio no gás intergaláctico quente entre o observatório e o distante quasar, em dois locais diferentes ao longo da linha de visão (visto no espectro no canto inferior esquerdo).
As duas concentrações de gás intergaláctico correspondem a um desvio para o vermelho de z=0,43 (indicado pelas setas verdes) e z=0,35 (indicado pela seta magenta); as características no espectro indicam indicadas pelas setas azuis representam assinaturas do azoto na nossa Via Láctea.
Crédito: ilustrações e composição – ESA/ATG medialab; dados: ESA/XMM-Newton/F. Nicastro et al. 2018; simulação cosmológica: R. Cen

Depois de um jogo cósmico das escondidas com quase vinte anos, astrónomos usando o observatório espacial XMM-Newton da ESA finalmente encontraram evidências de gás quente e difuso que permeia o cosmos, fechando uma lacuna intrigante no orçamento geral da matéria “normal” do Universo.

Embora a misteriosa matéria escura e a energia escura componham cerca de 25% e 70% do nosso cosmos, respectivamente, a matéria comum que constitui tudo o que vemos – de estrelas a galáxias, de planetas a pessoas – corresponde a apenas 5%.

Mas até estes cinco por cento são muito difíceis de rastrear.

A quantidade total de matéria comum, que os astrónomos chamam de bariões, pode ser estimada a partir de observações da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, que é a luz mais antiga do Universo e que remonta a apenas 380 mil anos após o Big Bang.

As observações de galáxias muito distantes permitem que os astrónomos acompanhem a evolução desta matéria ao longo dos primeiros dois mil milhões de anos do Universo. No entanto, depois disso, mais de metade parece desaparecer.

“Os bariões desaparecidos representam um dos maiores mistérios da astrofísica moderna,” explica Fabrizio Nicastro, autor principal do artigo, que apresentou uma solução para o mistério, publicada esta semana na revista Nature.

“Nós sabemos que esta matéria deve existir no Universo, vemo-la no início, mas não a conseguíamos observar mais para o presente. Para onde foi?”

A contagem da população de estrelas em galáxias espalhadas pelo Universo, mais o gás interestelar que permeia as galáxias – a matéria-prima para a formação de estrelas – só totaliza uns meros 10% de toda a matéria comum. Somando o gás quente e difuso nos halos que englobam as galáxias e o gás ainda mais quente que preenche os aglomerados galácticos, as maiores estruturas cósmicas unidas pela gravidade, eleva o inventário para menos de 20%.

Isto não é surpreendente: as estrelas, as galáxias e os enxames galácticos formam-se nos nós mais densos da teia cósmica, a distribuição filamentar da matéria escura e comum que se estende por todo o Universo. Embora esses locais sejam densos, também são raros, portanto não são os melhores locais para procurar a maioria da matéria cósmica.

Os astrónomos suspeitavam que os bariões “desaparecidos” deviam estar à espreita nos filamentos omnipresentes desta teia cósmica, onde a matéria é, no entanto, menos densa e, portanto, mais difícil de observar. Usando técnicas diferentes ao longo dos anos, conseguiram localizar uma boa parte deste material intergaláctico – principalmente nos seus componentes frios e quentes – elevando o orçamento total até uns respeitáveis 60%, mas deixando o mistério ainda sem solução.

Fabrizio e muitos outros astrónomos em todo mundo procuram há quase duas décadas os bariões em falta, desde que os observatórios de raios-X, como o XMM-Newton da ESA e o Chandra da NASA ficaram disponíveis à comunidade científica.

Observando nesta zona do espectro electromagnético, podem detectar gás intergaláctico quente, com temperaturas que rondam um milhão de graus ou mais, que bloqueia os raios-X emitidos por fontes ainda mais distantes.

Para este projecto, Fabrizio e colaboradores usaram o XMM-Newton para observar um quasar – uma galáxia massiva com um buraco negro super-massivo no seu centro que está a devorar activamente matéria e a brilhar intensamente em raios-X e no rádio. Observaram este quasar, cuja luz leva mais de quatro mil milhões de anos até chegar até nós, durante um total de 18 dias, divididos entre 2015 e 2017, na mais longa observação de raios-X já realizada para uma fonte deste tipo.

“Depois de vasculharmos os dados, conseguimos encontrar a assinatura do oxigénio no gás intergaláctico quente entre nós e o quasar distante, em dois locais diferentes ao longo da linha de visão,” explica Fabrizio.

“Isto acontece porque existem aí enormes reservatórios de material – incluindo oxigénio – e exactamente na quantidade que esperávamos, de modo que podemos finalmente preencher a lacuna no orçamento dos bariões do Universo.”

Este resultado extraordinário é o começo de uma nova missão. São necessárias observações de diferentes fontes, espalhadas pelo céu, para confirmar se estas descobertas são realmente universais e para investigar mais profundamente o estado físico desta matéria há muito procurada.

Fabrizio e colegas planeiam estudar mais quasares com o XMM-Newton e com o Chandra nos próximos anos. No entanto, para explorar completamente a distribuição e as propriedades deste chamado meio intergaláctico morno-quente, serão necessários instrumentos mais sensíveis, como o Athena (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics) da ESA, com lançamento previsto para 2028.

“A descoberta dos bariões desaparecidos com o XMM-Newton é o primeiro emocionante passo na caracterização completa das circunstâncias e estruturas em que estes bariões são encontrados,” afirma o co-autor Jelle Kaastra do Instituto Holandês para Investigação Espacial.

“Para os próximos passos, vamos precisar da muito maior sensibilidade do Athena, que tem como um dos principais objectivos o estudo do meio intergaláctico morno-quente, a fim de melhorar a nossa compreensão de como as estruturas crescem ao longo da história do Universo.”

“Ficámos muito orgulhosos quando o XMM-Newton conseguiu descobrir o fraco sinal deste material há muito tempo elusivo, escondido numa névoa quente de um milhão de graus que se estende pelo espaço intergaláctico por centenas de milhares de anos-luz,” comenta Norbert Schartel, cientista do projecto XMM-Newton na ESA.

“Agora que sabemos que estes bariões já não estão em falta, mal podemos esperar para os estudar em maior detalhe.”

Astronomia On-line
22 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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478: ONDE ESTÁ A MATÉRIA EM FALTA DO UNIVERSO?

Esta imagem ilustra a emissão de raios-X em torno de um conjunto de cinco galáxias que foram “empilhadas” juntas para mostrar os detalhes dos seus halos esféricos e gasosos. Foi criada por uma equipa de cientistas usando o observatório espacial XMM-Newton da ESA, com a emissão de raios-X destacada em roxo.
Compreende dois componentes: uma imagem de fundo de três cores de uma galáxia chamada NGC 5908 juntamente com estrelas circundantes do SDSS (Sloan Digital Sky Survey), e uma sobreposição empilhada combinando cinco galáxias diferentes observadas pelo XMM-Newton, visível como a névoa roxa que permeia a foto.
As cinco galáxias incluídas no conjunto de dados XMM-Newton são NGC 5908 (a mesma galáxia vista no fundo); UGC 12591, NGC 669, ESO 142-G019 e UGC A145; a equipa também observou NGC 550, mas essa galáxia não foi empilhada porque tinha um enxame de galáxias brilhantes logo atrás dela, dificultando a visualização de forma clara sem afectar os outros dados. A neblina roxa representa assim a emissão de raios-X de um halo tal como o que rodeia NGC 5908.
Todos os dados do XMM-Newton cobrem a faixa de energia de 0,5 a 1,25 keV e têm um tempo de exposição de aproximadamente 5 dias. As galáxias foram redimensionadas para a mesma distância e girada e reposicionadas para serem empilhadas com precisão. Cada foi suavizada, e as fontes de raios-X especialmente brilhantes que podem interferir na emissão galáctica foram mascaradas e suavizadas (ainda são visíveis manchas residuais).
Crédito: ESA/XMM-Newton; J-T. Li (Universidade de Michigan, EUA); SDSS

Através do observatório espacial XMM-Newton da ESA, os astrónomos sondaram os halos cheios de gás ao redor de galáxias, numa missão para encontrar material “desaparecido” que deveria aí residir, mas acabaram de mãos vazias – então, onde está?

Toda a matéria no Universo existe na forma de matéria “normal” ou na matéria escura notoriamente elusiva e invisível, sendo esta última cerca de seis vezes mais prolífica.

Curiosamente, os cientistas que estudam galáxias próximas descobriram, nos últimos anos, que estas contêm três vezes menos matéria normal do que o esperado, com a nossa própria galáxia Via Láctea a conter menos de metade da quantidade esperada.

“Isto tem sido um mistério há já muito tempo, e os cientistas empenharam muito esforço à procura dessa matéria em falta,” diz Jiangtao Li, da Universidade de Michigan, EUA, autor principal do novo artigo.

“Porque é que não está nas galáxias – ou está lá, mas nós simplesmente não a conseguimos ver? Se não está lá, onde está? É importante resolver este enigma, pois é uma das partes mais incertas dos nossos modelos, tanto do Universo primitivo quanto de como as galáxias se formam.”

Em vez de estar dentro da massa principal da galáxia, a matéria que pode ser observada opticamente, os pesquisadores pensaram que poderia estar numa região de gás quente que se estende mais para o espaço para formar o halo de uma galáxia.

Estes halos esféricos e quentes foram detectados antes, mas a região é tão fraca que é difícil observar em detalhe – a sua emissão de raios-X pode perder-se e ser indistinguível da radiação de fundo. Frequentemente, os cientistas observam uma pequena distância nessa região e extrapolam as suas descobertas, mas isto pode dar azo a resultados pouco claros e variados.

Jiangtao e os seus colegas queriam medir o gás quente a distâncias maiores, usando o observatório espacial XMM-Newton da ESA. Analisaram seis galáxias espirais semelhantes e combinaram os dados para criar uma galáxia com as suas propriedades médias.

“Ao fazer isso, o sinal da galáxia torna-se mais forte e o fundo de raios-X comporta-se melhor,” acrescenta o co-autor Joel Bregman, também da Universidade de Michigan.

“Fomos então capazes de ver a emissão de raios-X cerca de três vezes mais longe do que se observássemos uma única galáxia, o que tornou a nossa extrapolação mais precisa e confiável.”

Galáxias espirais massivas e isoladas oferecem a melhor oportunidade de procurar por matéria perdida. Estas são maciças o suficiente para aquecer o gás a temperaturas de milhões de graus, de modo que emitem raios-X e evitam, em grande parte, a contaminação por outros materiais por meio da formação de estrelas ou de interacções com outras galáxias.

Ainda desaparecida

Os resultados da equipa mostraram que o halo em torno das galáxias, como as que foram observadas, não pode conter todo o material que falta, afinal. Apesar de extrapolar para quase 30 vezes o raio da Via Láctea, quase três-quartos do material esperado ainda estava em falta.

Existem duas teorias alternativas principais sobre onde a matéria poderá estar: ou encontra-se armazenada noutra fase gasosa que é mal observada – talvez uma fase mais quente e mais ténue ou uma fase mais fria e mais densa – ou dentro de um trecho do espaço que não é coberto pelas nossas observações actuais, ou emite raios-X demasiado fracos para serem detectados.

De qualquer forma, uma vez que as galáxias não contêm material em falta suficiente, podem tê-lo ejectado para o espaço, talvez impulsionadas por injecções de energia de estrelas em explosão ou por buracos negros super-massivos.

“Este trabalho é importante para ajudar a criar modelos de galáxias mais realistas e, por sua vez, ajudar-nos a entender melhor como a nossa própria Galáxia se formou e evoluiu,” diz Norbert Schartel, cientista do projeto XMM-Newton da ESA. “Este tipo de descoberta simplesmente não é possível sem a incrível sensibilidade do XMM-Newton.”

“No futuro, os cientistas poderão adicionar ainda mais galáxias às nossas amostras de estudo e utilizar o XMM-Newton em colaboração com outros observatórios de alta energia, como o futuro Telescópio Avançado da ESA para Astrofísica de Alta Energia, Athena, para sondar partes densas das orlas externas de uma galáxia, enquanto continuamos a desvendar o mistério da matéria desaparecida do Universo.”

Astronomia On-line
20 de Abril de 2018

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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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