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633: JWST capta fluxo supersónico de estrela jovem

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CIÊNCIA // ASTRONOMIA // JAMES WEB

Os chamados objectos de Herbig-Haro (HHs) são jactos luminosos de gás que assinalam o crescimento de estrelas infantis.

Utilizando o Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA/ESA/CSA, uma equipa internacional de astrónomos, com a participação de cientistas do Instituto Max Planck de Astronomia, obteve uma imagem espectacular de HH 211, um jacto bipolar que viaja pelo espaço interestelar a velocidades supersónicas.

A cerca de 1.000 anos-luz de distância da Terra, na direcção da constelação de Perseu, o objecto é um dos fluxos proto-estelares mais jovens e mais próximos, o que o torna um alvo ideal para o JWST.

Nesta imagem obtida pelo Telescópio Espacial James Webb está Herbig-Haro 211 (HH 211), um jacto bipolar que viaja pelo espaço interestelar a velocidades supersónicas. A cerca de 1000 anos-luz de distância da Terra, na direcção da constelação de Perseu, o objecto é um dos fluxos proto-estelares mais jovens e mais próximos, o que o torna um alvo ideal para o JWST.
Crédito: ESA/Webb, NASA, CSA, T. Ray (Instituto de Estudos Avançados de Dublin)

Os objectos Herbig-Haro rodeiam estrelas recém-nascidas e formam-se quando os ventos estelares ou jactos de gás expelidos por estas estrelas recém-nascidas formam ondas de choque que colidem com gás e poeira próximos a alta velocidade.

Uma nova e excitante imagem de HH 211, pelo JWST, revela um fluxo de uma protoestrela de Classe 0, uma análoga infantil do nosso Sol quando este tinha apenas algumas dezenas de milhares de anos e uma massa de apenas 8% da actual (acabará por se tornar uma estrela como o Sol). As protoestrelas ainda não atingiram a fase de fusão nuclear.

As imagens infravermelhas são muito boas no estudo de estrelas recém-nascidas e dos seus fluxos, porque essas estrelas estão invariavelmente ainda embebidas no gás da nuvem molecular em que se formaram.

A emissão infravermelha dos fluxos da estrela penetra o gás e a poeira que a obscurecem, tornando um objecto Herbig-Haro como HH 211 ideal para observação com os sensíveis instrumentos infravermelhos do JWST.

As moléculas excitadas pelas condições turbulentas, incluindo o hidrogénio molecular, o monóxido de carbono e o monóxido de silício, emitem luz infravermelha que o JWST pode recolher para mapear a estrutura dos fluxos.

A imagem obtida com o instrumento NIRCam mostra uma série de choques, ou seja, radiação desencadeada por colisões de gás, a sudeste (em baixo à esquerda) e a noroeste (em cima à direita), bem como o jacto bipolar estreito que os alimenta, com um detalhe sem precedentes – uma resolução espacial cerca de 5 a 10 vezes superior à de quaisquer imagens anteriores de HH 211.

Esta série de eventos de choque indica uma libertação episódica de gás, que está directamente relacionada com o crescimento da protoestrela através da infiltração de poeira e gás.

O jacto interno é visto a “agitar-se” com simetria em ambos os lados da protoestrela central. Isto está de acordo com observações em escalas mais pequenas e sugere que a protoestrela pode, de facto, ser uma estrela binária não resolvida.

“Estas observações com o JWST não produzem apenas imagens espectaculares.

Também nos fornecem uma ferramenta para estudar a maturação das antecessoras directas das estrelas com um detalhe sem precedentes,” diz Thomas Henning, director do Instituto Max Planck de Astronomia em Heidelberg, Alemanha. “Assim, as observações geram informação inestimável na nossa tentativa de compreender a formação estelar”.

Observações anteriores de HH 211 com telescópios terrestres mostraram o movimento do gás ao longo do fluxo, medindo uma mudança no comprimento de onda da radiação emitida.

Agora, a equipa encontrou enormes choques com desvios para o vermelho (noroeste) e com desvios para o azul (sudeste) e estruturas semelhantes a cavidades à luz do hidrogénio e do monóxido de carbono excitados por choques, respectivamente, e um jacto de dupla face serpenteante e com nós à luz do monóxido de silício.

Com estas novas observações com os instrumentos NIRCam e NIRSpec do JWST, os investigadores descobriram que o fluxo de gás do objecto é relativamente lento em comparação com protoestrelas semelhantes, mas mais evoluídas.

A equipa mediu as velocidades das estruturas mais interiores do fluxo de gás em cerca de 80 a 100 quilómetros por segundo. No entanto, a diferença de velocidade entre estas secções do fluxo e o material com que estão a colidir – a velocidade da onda de choque – é muito menor.

Os investigadores concluíram que os fluxos das estrelas mais jovens, como a que se encontra no centro de HH 211, são maioritariamente constituídos por moléculas devido às velocidades comparativamente baixas das ondas de choque, que não são suficientemente energéticas para quebrar as moléculas em átomos e iões mais simples.

// Instituto Max Planck de Astronomia (comunicado de imprensa)
// NASA (comunicado de imprensa)
// ESA (comunicado de imprensa)
// ESA/Webb (comunicado de imprensa)
// STScI (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature)

CCVALG
19 de Setembro de 2023


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632: Solar Orbiter aproxima-se da solução para um mistério solar com 65 anos

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CIÊNCIA // ASTRONOMIA // SOLAR ORBITER

Um alinhamento cósmico e um pouco de “ginástica” por naves espaciais proporcionaram uma medição inovadora que está a ajudar a resolver um mistério cósmico com 65 anos de existência: porque é que a atmosfera do Sol é tão quente?

A atmosfera exterior do Sol, conhecida como coroa, pode ser vista a estender-se no espaço nesta imagem do instrumento Metis da Solar Orbiter. O Metis é um dispositivo multi-comprimento de onda, que funciona nos comprimentos de onda visível e ultravioleta. É um coronógrafo, o que significa que bloqueia a luz solar brilhante da superfície solar, deixando visível a luz mais ténue que se espalha pelas partículas da coroa. Nesta imagem, o disco vermelho difuso representa o coronógrafo, enquanto que o disco branco é uma máscara para comprimir o tamanho da imagem e reduzir a quantidade de dados desnecessários transmitidos.
Crédito: ESA e NASA/Solar Orbiter/equipa Metis; D. Telloni et al (2023)

A atmosfera do Sol é chamada de coroa. É constituída por um gás electricamente carregado conhecido como plasma e tem uma temperatura de cerca de um milhão de graus Celsius.

A sua temperatura é um mistério persistente porque a superfície do Sol tem apenas cerca de 6000º C. A coroa deveria ser mais fria do que a superfície porque a energia do Sol provém do forno nuclear no seu núcleo e as coisas arrefecem naturalmente quanto mais se afastam de uma fonte de calor. No entanto, a coroa é mais de 150 vezes mais quente do que a superfície.

Deve haver outro método de transferência de energia para o plasma, mas qual?

Há muito que se suspeita que a turbulência na atmosfera solar pode resultar num aquecimento significativo do plasma na coroa. Mas quando se trata de investigar este fenómeno, os físicos solares deparam-se com um problema prático: é impossível recolher todos os dados de que necessitam com apenas uma nave espacial.

Há duas formas de investigar o Sol: detecção remota e medições in situ. Na detecção remota, a nave espacial é posicionada a uma certa distância e utiliza câmaras para observar o Sol e a sua atmosfera em diferentes comprimentos de onda.

Para as medições in situ, a nave espacial voa pela região que pretende investigar e efectua medições das partículas e dos campos magnéticos nessa parte do espaço.

Ambas as abordagens têm as suas vantagens. A detecção remota mostra os resultados em grande escala, mas não os pormenores dos processos que ocorrem no plasma.

Entretanto, as medições in situ fornecem informações altamente específicas sobre os processos em pequena escala no plasma, mas não mostram como estes afectam a grande escala.

Para obter a imagem completa, são necessárias duas naves espaciais. É exactamente isso que os físicos solares têm actualmente, sob a forma da nave espacial Solar Orbiter, operada pela ESA, e da Parker Solar Probe da NASA.

A Solar Orbiter foi concebida para se aproximar o mais possível do Sol e ainda efectuar operações de detecção remota, juntamente com medições in situ. A Parker Solar Probe renuncia em grande parte à detecção remota do próprio Sol para se aproximar ainda mais para efectuar as suas medições in situ.

Mas para tirar o máximo partido das suas abordagens complementares, a Parker Solar Probe teria de estar dentro do campo de visão de um dos instrumentos da Solar Orbiter.

Desta forma, a Solar Orbiter poderia registar as consequências em grande escala do que a Parker Solar Probe estava a medir in situ.

Daniele Telloni, investigador do INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) no Observatório Astrofísico de Turim, faz parte da equipa responsável pelo instrumento Metis da Solar Orbiter.

O Metis é um coronógrafo que bloqueia a luz da superfície do Sol e tira fotografias da coroa solar. É o instrumento perfeito para utilizar nas medições em grande escala e, por isso, Daniele começou a procurar alturas em que a Parker Solar Probe estaria alinhada.

Descobriu que, a 1 de Junho de 2022, as duas naves estariam na configuração orbital correta – quase.

Essencialmente, a Solar Orbiter estaria a olhar para o Sol e a Parker Solar Probe estaria mesmo ao lado, tentadoramente perto, mas fora do campo de visão do instrumento Metis.

Infográfico da “medição bidireccional” efectuada conjuntamente pela Solar Orbiter e pela Parker Solar Probe.
Crédito: ESA/ATG, ESA e NASA/Solar Orbiter/Equipa Metis e D. Telloni et al. 2023

Ao analisar o problema, Daniele apercebeu-se de que bastava fazer um pouco de ginástica com a Solar Orbiter para que a Parker Solar Probe ficasse visível: uma rotação de 45 graus e apontando-a ligeiramente para longe do Sol.

Mas quando todas as manobras de uma missão espacial são cuidadosamente planeadas com antecedência, e as próprias naves espaciais são concebidas para apontar apenas em direcções muito específicas, especialmente quando enfrentam o temível calor do Sol, não era claro que a equipa de operações da nave espacial autorizasse tal desvio.

No entanto, uma vez que todos estavam cientes do potencial retorno científico, a decisão foi um claro “sim”.

A Parker Solar Probe entrou no campo de visão e, em conjunto, as naves espaciais produziram as primeiras medições simultâneas da configuração em grande escala da coroa solar e das propriedades microfísicas do plasma.

“Este trabalho é o resultado das contribuições de muitas, muitas pessoas”, diz Daniele, que liderou a análise dos conjuntos de dados. Trabalhando em conjunto, conseguiram fazer a primeira estimativa combinada, observacional e in situ, da taxa de aquecimento coronal.

“A capacidade de utilizar tanto a Solar Orbiter como a Parker Solar Probe abriu uma dimensão inteiramente nova nesta investigação”, afirma Gary Zank, da Universidade do Alabama em Huntsville, EUA, co-autor do artigo resultante.

Impressão de artista das sondas solares da ESA e da NASA. Não estão à escala e não ilustra uma configuração realista das duas missões.
Crédito: Solar Orbiter – ESA/ATG medialab; Parker Solar Probe – NASA/Johns Hopkins APL

Ao comparar a taxa recentemente medida com as previsões teóricas efectuadas pelos físicos solares ao longo dos anos, Daniele demonstrou que os físicos solares tinham quase de certeza razão na sua identificação da turbulência como uma forma de transferência de energia.

A forma específica como a turbulência o faz não é muito diferente do que acontece quando se mexe a chávena de café da manhã.

Ao estimular os movimentos aleatórios de um fluido, seja um gás ou um líquido, a energia é transferida para escalas cada vez mais pequenas, o que culmina na transformação da energia em calor.

No caso da coroa solar, o fluido também está magnetizado, pelo que a energia magnética armazenada também está disponível para ser convertida em calor.

Esta transferência de energia magnética e de movimento de escalas maiores para escalas mais pequenas é a própria essência da turbulência. Nas escalas mais pequenas, permite que as flutuações interajam finalmente com partículas individuais, principalmente protões, e as aqueçam.

É necessário mais trabalho antes de podermos dizer que o problema do aquecimento solar está resolvido, mas agora, graças ao trabalho de Daniele, os físicos solares têm a sua primeira medição deste processo.

“Trata-se de uma estreia científica. Este trabalho representa um passo em frente significativo na resolução do problema do aquecimento coronal”, afirma Daniel Müller, cientista do projecto.

// ESA (comunicado de imprensa)
// INAF (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal Letters)
// Artigo científico (arXiv.org)

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19 de Setembro de 2023


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Parker Solar Probe observa poderosa EMC a “aspirar” poeira interplanetária

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CIÊNCIA // ASTRONOMIA // PARKER SOLAR PROBE

No dia 5 de Setembro de 2022, a Parker Solar Probe da NASA passou graciosamente por uma das mais poderosas ejecções de massa coronal (EMCs) alguma vez registadas – não só um feito impressionante de engenharia, mas também um enorme benefício para a comunidade científica.

A viagem da Parker através da EMC está a ajudar a provar uma teoria com 20 anos sobre a interacção das EMCs com a poeira interplanetária, com implicações para as previsões do clima espacial. Os resultados foram recentemente publicados na revista The Astrophysical Journal.

impressão de artista da Parker Solar Probe da NASA.
Crédito: APL/NASA GSFC

Um artigo científico de 2003 teorizou que as EMCs podem interagir com a poeira interplanetária em órbita da nossa estrela e até transportar a poeira para longe.

As EMCs são imensas erupções da atmosfera exterior do Sol, ou coroa, que ajudam a criar condições meteorológicas espaciais que podem pôr em perigo os satélites, perturbar as comunicações e as tecnologias de navegação e até mesmo destruir as redes eléctricas da Terra.

Aprender mais sobre a forma como estes fenómenos interagem com a poeira interplanetária pode ajudar os cientistas a prever a rapidez com que as EMCs podem viajar do Sol para a Terra, prevendo quando é que o planeta poderá ver o seu impacto.

A Parker observou agora este fenómeno pela primeira vez.

“Estas interacções entre as EMCs e a poeira foram teorizadas há duas décadas, mas não tinham sido observadas até que a Parker Solar Probe viu uma EMC atuar como um aspirador, limpando a poeira do seu caminho”, disse Guillermo Stenborg, astrofísico do JHUAPL (Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory) em Laurel, no estado norte-americano de Maryland, e principal autor do artigo. Este laboratório construiu e opera a nave espacial.

Esta poeira é constituída por partículas minúsculas de asteróides, cometas e até planetas, e está presente em todo o Sistema Solar. Um tipo de brilho ténue chamado luz zodiacal, por vezes visível antes do nascer ou depois do pôr-do-Sol, é uma manifestação da nuvem de poeira interplanetária.

A EMC deslocou a poeira até cerca de 9,6 milhões de quilómetros do Sol – cerca de um-sexto da distância entre o Sol e Mercúrio – mas foi reposta quase imediatamente pela poeira interplanetária que flutua pelo Sistema Solar.

As observações in situ da Parker foram fundamentais para esta descoberta, porque a caracterização da dinâmica da poeira no rasto das EMCs é um desafio à distância.

De acordo com os investigadores, as observações da Parker podem também fornecer informações sobre fenómenos relacionados mais abaixo na coroa, tais como o escurecimento coronal causado por áreas de baixa densidade na coroa que aparecem frequentemente após a erupção de EMCs.

Os cientistas observaram a interacção entre a EMC e a poeira como uma diminuição do brilho nas imagens da câmara WISPR (Wide-field Imager for Solar Probe) da Parker. Isto acontece porque a poeira interplanetária reflecte a luz, amplificando o brilho onde a poeira está presente.


O instrumento WISPR (Wide Field Imagery for Solar Probe) da Parker Solar Probe observa a passagem da nave espacial por uma enorme ejecção de massa coronal no dia 5 de Setembro de 2022. As ejecções de massa coronal são imensas erupções de plasma e energia da coroa solar que impulsionam o clima espacial.
Crédito: NASA/JHUAPL/NRL

Para localizar esta ocorrência de diminuição do brilho, a equipa teve de calcular o brilho médio de fundo das imagens WISPR em várias órbitas semelhantes – eliminando as variações normais de brilho que ocorrem devido às “streamers” solares e outras alterações na coroa solar.

“A Parker já orbitou o Sol quatro vezes à mesma distância, o que nos permite comparar muito bem os dados de uma passagem com a seguinte”, disse Stenborg.

“Removendo as variações de brilho devidas a deslocações coronais e outros fenómenos, conseguimos isolar as variações causadas pela redução de poeira.”

Como os cientistas só observaram este efeito em relação ao evento de 5 de Setembro, Stenborg e a equipa teorizam que a redução de poeira pode ocorrer apenas com as EMCs mais poderosas.

No entanto, o estudo da física por detrás desta interacção pode ter implicações na previsão do clima espacial.

Os cientistas estão apenas a começar a compreender que a poeira interplanetária afecta a forma e a velocidade de uma EMC. Mas são necessários mais estudos para compreender melhor estas interacções.

A Parker Solar Probe completou a sua sexta passagem por Vénus, usando a gravidade do planeta para se aproximar ainda mais do Sol nas suas próximas cinco órbitas. Isto acontece quando o próprio Sol se aproxima do máximo solar, o período do ciclo de 11 anos do Sol em que as manchas solares e a actividade solar são mais abundantes.

À medida que a actividade do Sol aumenta, os cientistas esperam ter a oportunidade de ver mais destes fenómenos raros e de explorar a forma como podem afectar o ambiente da Terra e o meio interplanetário.

// NASA (blog)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal)

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19 de Setembro de 2023


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621: Webb descobre metano e dióxido de carbono na atmosfera de K2-18 b

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⚗️ CIÊNCIA // 🔭 ASTRONOMIA // telescópio espacial jwst james webb aleatório WEBB // K2-18 b

Uma nova investigação realizada por uma equipa internacional de astrónomos, utilizando dados do Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA, sobre K2-18 b, um exoplaneta 8,6 vezes mais massivo do que a Terra, revelou a presença de moléculas de carbono, incluindo metano e dióxido de carbono.

A descoberta vem juntar-se a estudos recentes que sugerem que K2-18 b poderá ser um exoplaneta Hiceano, um exoplaneta com potencial para possuir uma atmosfera rica em hidrogénio e uma superfície coberta de oceanos de água.

Esta ilustração mostra o possível aspecto do exoplaneta K2-18 b com base em dados científicos. K2-18 b, um exoplaneta 8,6 vezes mais massivo do que a Terra, orbita a estrela anã fria K2-18 na zona habitável e situa-se a 120 anos-luz da Terra. Uma nova investigação com o Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA revelou a presença de moléculas de carbono, incluindo metano e dióxido de carbono. A abundância de metano e dióxido de carbono, e a escassez de amoníaco, apoiam a hipótese de que pode existir um oceano por baixo de uma atmosfera rica em hidrogénio.
Crédito: NASA, CSA, ESA, J. Olmstead (STScI), N. Madhusudhan (Universidade de Cambridge)

A primeira visão sobre as propriedades atmosféricas deste exoplaneta na zona habitável veio de observações com o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA, o que levou a estudos adicionais que desde então mudaram a nossa compreensão do sistema.

Foram feitas novas observações com o instrumento NIRISS, com contribuição canadiana, e o instrumento NIRSpec, com contribuição europeia, a bordo do Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA.

K2-18 b orbita a estrela anã fria K2-18 na zona habitável e situa-se a 120 anos-luz da Terra, na direcção da constelação de Leão. Exoplanetas como K2-18 b, que têm tamanhos entre os da Terra e os de Neptuno, são diferentes de tudo o que existe no nosso Sistema Solar.

Esta falta de planetas análogos nas proximidades significa que estes “sub-Neptunos” são mal compreendidos e a natureza das suas atmosferas é uma questão de debate activo entre os astrónomos.

A sugestão de que o sub-Neptuno K2-18 b poderia ser um exoplaneta Hiceano é intrigante, uma vez que alguns astrónomos pensam que estes mundos são ambientes promissores para procurar evidências de vida.

“As nossas descobertas sublinham a importância de considerar ambientes habitáveis diversos na procura de vida noutros lugares”, explicou Nikku Madhusudhan, astrónomo da Universidade de Cambridge e principal autor do artigo científico que anuncia estes resultados.

“Tradicionalmente, a procura de vida em exoplanetas tem-se concentrado principalmente em planetas rochosos mais pequenos, mas os maiores mundos Hiceanos são significativamente mais propícios a observações atmosféricas.”

A abundância de metano e dióxido de carbono em K2-18 b, bem como a escassez de amoníaco, apoiam a hipótese de que pode existir um oceano por baixo de uma atmosfera rica em hidrogénio.

Estas observações iniciais do Webb também permitiram a detecção de uma molécula chamada sulfureto de dimetilo (ou dimetilsulfureto, DMS).

Na Terra, esta molécula só é produzida por vida. A maior parte do DMS na atmosfera da Terra é emitida pelo fitoplâncton em ambientes marinhos.

A inferência de DMS é menos robusta e requer validação adicional. “As próximas observações do Webb devem ser capazes de confirmar se a molécula DMS está de facto presente na atmosfera de K2-18 b em níveis significativos”, explicou Madhusudhan.

Embora K2-18 b se encontre na zona habitável e se saiba agora que alberga moléculas com carbono, isto não significa necessariamente que o planeta possa suportar vida.

A grande dimensão do planeta – com um raio 2,6 vezes superior ao da Terra – significa que o seu interior contém provavelmente um grande manto de gelo a altas pressões, como Neptuno, mas com uma atmosfera mais fina rica em hidrogénio e uma superfície oceânica.

Prevê-se que os mundos hiceanos tenham oceanos de água. No entanto, também é possível que o oceano seja demasiado quente para ser habitável ou líquido.

“Embora este tipo de planeta não exista no nosso Sistema Solar, os sub-Neptunos são o tipo de planeta mais comum conhecido até agora na Galáxia”, explicou Subhajit Sarkar, membro da equipa da Universidade de Cardiff.

“Obtivemos o espectro mais detalhado de um sub-Neptuno da zona habitável até à data, o que nos permitiu determinar as moléculas que existem na sua atmosfera.”

O espectro de K2-18 b, obtido com o NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) e o NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) do Webb, mostra uma abundância de metano e dióxido de carbono na atmosfera do exoplaneta, bem como a possível detecção de uma molécula chamada sulfureto de dimetilo (DMS). A detecção de metano e dióxido de carbono, e a escassez de amoníaco, são consistentes com a presença de um oceano por baixo de uma atmosfera rica em hidrogénio. K2-18 b, 8,6 vezes mais massivo que a Terra, orbita a estrela anã fria K2-18 na zona habitável e fica a 120 anos-luz da Terra.
Crédito: NASA, CSA, ESA, J. Olmstead (STScI), N. Madhusudhan (Universidade de Cambridge)

A caracterização das atmosferas de exoplanetas como K2-18 b – ou seja, a identificação dos seus gases e condições físicas – é uma área muito activa na astronomia. No entanto, estes planetas são ofuscados – literalmente – pelo brilho das suas estrelas-mãe muito maiores, o que torna a exploração das atmosferas dos exoplanetas particularmente difícil.

A equipa contornou este desafio analisando a luz da estrela-mãe de K2-18 b à medida que esta atravessava a atmosfera do exoplaneta. K2-18 b é um exoplaneta em trânsito, o que significa que podemos detectar uma queda de brilho à medida que passa pela face da sua estrela hospedeira.

Foi assim que o exoplaneta foi descoberto pela primeira vez. Isto significa que durante os trânsitos uma pequena fracção da luz estelar passa pela atmosfera do exoplaneta antes de chegar a telescópios como o Webb.

A passagem da luz da estrela pela atmosfera exoplanetária deixa vestígios que os astrónomos podem juntar para determinar os gases da atmosfera do exoplaneta.

“Este resultado só foi possível devido à gama alargada de comprimentos de onda e à sensibilidade sem precedentes do Webb, que permitiu a detecção robusta de características espectrais com apenas dois trânsitos,” continuou Madhusudhan.

“Para comparação, uma observação de trânsito com o Webb forneceu uma precisão comparável à de oito observações com o Hubble realizadas ao longo de alguns anos e numa gama de comprimentos de onda relativamente estreita”.

“Estes resultados são o produto de apenas duas observações de K2-18 b, com muitas mais a caminho”, explicou o membro da equipa Savvas Constantinou da Universidade de Cambridge.

“Isto significa que o nosso trabalho aqui é apenas uma demonstração inicial do que o Webb pode observar em exoplanetas na zona habitável.”

A equipa tenciona agora realizar uma investigação de seguimento com o MIRI (Mid-InfraRed Instrument) do telescópio, que esperam venha a validar ainda mais as suas descobertas e a fornecer novos conhecimentos sobre as condições ambientais em K2-18 b.

“O nosso objectivo final é a identificação de vida num exoplaneta habitável, o que transformaria a nossa compreensão do nosso lugar no Universo”, concluiu Madhusudhan. “As nossas descobertas são um passo promissor para uma compreensão mais profunda dos mundos Hiceanos nesta busca”.

Os resultados da equipa foram aceites para publicação na revista The Astrophysical Journal Letters.

// ESA (comunicado de imprensa)
// NASA (comunicado de imprensa)
// ESA/Webb (comunicado de imprensa)
// STScI (comunicado de imprensa)
// Universidade de Cambridge (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (arXiv.org)

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15 de Setembro de 2023


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620: Webb confirma a exactidão do ritmo de expansão do Universo medido pelo Telescópio Hubble e aprofunda o mistério da Tensão de Hubble

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⚗️ CIÊNCIA // 🔭 ASTRONOMIA // TENSÃO DE HUBBLE

O ritmo de expansão do Universo, a que se dá o nome constante de Hubble, é um dos parâmetros fundamentais para compreender a evolução e o destino final do cosmos.

No entanto, observa-se uma diferença persistente, designada por “Tensão de Hubble”, entre o valor da constante medido com uma vasta gama de indicadores de distância independentes e o seu valor previsto a partir do brilho remanescente do Big Bang.

Observações combinadas do instrumento NIRCam (Near-Infrared Camera) do Webb e do WFC3 (Wide Field Camera 3) do Hubble mostram a galáxia espiral NGC 5584, que se encontra a 72 milhões de anos-luz da Terra. Entre as estrelas brilhantes de NGC 5584 encontram-se estrelas pulsantes chamadas variáveis Cefeidas e super-novas do Tipo Ia, uma classe especial de estrelas em explosão. Os astrónomos utilizam as variáveis Cefeidas e as super-novas do Tipo Ia como marcadores de distância fiáveis para medir o ritmo de expansão do Universo.
Crédito: NASA, ESA, CSA e A. Riess (STSCI)

O Telescópio Espacial James Webb da NASA fornece novas capacidades para analisar e aperfeiçoar algumas das mais fortes evidências observacionais desta tensão.

Adam Riess, da Universidade Johns Hopkins e do STScI (Space Telescope Science Institute), laureado com o Prémio Nobel, apresenta o seu trabalho recente e o dos seus colegas, utilizando observações do Webb para melhorar a precisão das medições locais da constante de Hubble.

“Alguma vez se esforçou por ver um sinal que estava no limite da sua visão? O que é que ele diz? O que é que significa? Mesmo com os telescópios mais potentes, os ‘sinais’ que os astrónomos querem ler são tão pequenos que também temos dificuldade em vê-los.

“O sinal que os cosmólogos querem ler é um sinal cósmico de limite de velocidade que nos diz a que velocidade o Universo se está a expandir – um número chamado constante de Hubble. O nosso sinal está escrito nas estrelas de galáxias distantes.

O brilho de certas estrelas nessas galáxias diz-nos a que distância estão e, portanto, durante quanto tempo esta luz viajou até chegar a nós, e os desvios para o vermelho das galáxias dizem-nos quanto o Universo se expandiu durante esse tempo, indicando-nos assim o ritmo de expansão.

Este diagrama ilustra o poder combinado dos telescópios espaciais Hubble e Webb da NASA na determinação de distâncias exactas a uma classe especial de estrelas variáveis que é utilizada na calibração do ritmo de expansão do Universo. Estas estrelas variáveis Cefeidas são observadas em campos estelares muito povoados. A contaminação da luz pelas estrelas circundantes pode tornar a medição do brilho de uma Cefeida menos precisa. A visão infravermelha mais nítida do Webb permite que um alvo Cefeida seja mais claramente isolado das estrelas circundantes, como se vê no lado direito do diagrama. Os dados do Webb confirmam a exactidão de 30 anos de observações de Cefeidas pelo Hubble, que foram fundamentais para estabelecer o degrau inferior da escada da distâncias cósmicas para medir o ritmo de expansão do Universo. À esquerda, NGC 5584 é vista numa imagem composta do instrumento NIRCam (Near-Infrared Camera) do Webb e do WFC3 (Wide Field Camera 3) do Hubble.
Crédito: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI)

“Uma classe particular de estrelas, as variáveis Cefeidas, tem-nos dado as medições de distância mais precisas desde há mais de um século, porque estas estrelas são extraordinariamente brilhantes: são estrelas super-gigantes, com uma luminosidade cem mil vezes superior à do Sol.

Além disso, elas pulsam (isto é, expandem-se e contraem-se) durante um período de semanas que indica a sua luminosidade relativa.

Quanto mais longo for o período, mais brilhantes são intrinsecamente. São a ferramenta de referência para medir as distâncias de galáxias a cem milhões de anos-luz de distância ou mais, um passo crucial para determinar a constante de Hubble.

Infelizmente, as estrelas nas galáxias estão amontoadas num pequeno espaço a partir do nosso ponto de vista distante e, por isso, muitas vezes não temos a resolução necessária para as separar das suas vizinhas na linha de visão.

“Uma das principais justificações para a construção do Telescópio Espacial Hubble foi a resolução deste problema. Antes do lançamento do Hubble em 1990 e das subsequentes medições das Cefeidas, o ritmo de expansão do Universo era tão incerto que os astrónomos nem sabiam se o Universo se estava a expandir há 10 mil milhões ou há 20 mil milhões de anos.

Isto porque um ritmo de expansão mais rápido leva a uma idade mais jovem do Universo e um ritmo de expansão mais lento a uma idade mais velha do Universo. O Hubble tem uma melhor resolução [no comprimento de onda visível] do que qualquer telescópio terrestre porque está situado acima dos efeitos de desfocagem da atmosfera da Terra.

Como resultado, pode identificar variáveis Cefeidas individuais em galáxias que estão a mais de cem milhões de anos-luz de distância e medir o intervalo de tempo durante o qual mudam de brilho.

“No entanto, também temos de observar as Cefeidas na parte do infravermelho próximo do espectro, para ver a luz que passa incólume através da poeira (a poeira absorve e dispersa a luz visível azul, fazendo com que os objectos distantes pareçam ténues e fazendo-nos crer que estão mais longe do que estão). Infelizmente, a visão da luz vermelha do Hubble não é tão nítida como a da luz azul, pelo que a luz das estrelas Cefeidas que vemos está misturada com outras estrelas no seu campo de visão.

Podemos ter em conta a quantidade média desta mistura, estatisticamente, da mesma forma que um médico calcula o peso subtraindo o peso médio das roupas à leitura da balança, mas isso acrescenta ruído às medições. As roupas de algumas pessoas são mais pesadas do que outras.

“No entanto, a visão nítida no infravermelho é um dos super-poderes do Telescópio Espacial James Webb. Com o seu grande espelho e óptica sensível, consegue separar facilmente a luz das Cefeidas das estrelas vizinhas com pouca mistura.

No primeiro ano de operações do Webb, com o nosso programa de Observadores Gerais 1685, recolhemos observações de Cefeidas encontradas pelo Hubble em dois passos ao longo do que é conhecido como a escada de distâncias cósmicas.

O primeiro passo envolve a observação de Cefeidas numa galáxia com uma distância geométrica conhecida que nos permite calibrar a verdadeira luminosidade das Cefeidas. Para o nosso programa, essa galáxia é NGC 4258.

O segundo passo é observar Cefeidas nas galáxias hospedeiras de super-novas recentes do Tipo Ia. A combinação dos dois primeiros passos transfere o conhecimento da distância às super-novas para calibrar as suas verdadeiras luminosidades.

O terceiro passo é observar essas super-novas a uma grande distância, onde a expansão do Universo é aparente e pode ser medida comparando as distâncias inferidas a partir da sua luminosidade e os desvios para o vermelho das galáxias hospedeiras das super-novas. Esta sequência de passos é conhecida como a escada de distâncias.

“Obtivemos recentemente as nossas primeiras medições Webb dos passos um e dois, o que nos permite completar a escada de distâncias e comparar com as medições anteriores do Hubble.

As medições do Webb reduziram drasticamente o ruído nas medições das Cefeidas devido à resolução do observatório nos comprimentos de onda do infravermelho próximo. Este tipo de melhoria é o sonho dos astrónomos! Observámos mais de 320 Cefeidas nas duas primeiras etapas.

Confirmámos que as anteriores medições do Telescópio Espacial Hubble eram exactas, embora mais ruidosas. Também observámos mais quatro hospedeiras de super-novas com o Webb e verificámos um resultado semelhante para toda a amostra.

Comparação das relações período-luminosidade das Cefeidas utilizadas para medir distâncias. Os pontos vermelhos são do Webb da NASA e os pontos cinzentos são do Hubble da NASA. O painel superior é para NGC 5584, a hospedeira da supernova de Tipo Ia, com a inserção a mostrar selos de imagem da mesma Cefeida vista por cada telescópio. O painel inferior é para NGC 4258, uma galáxia com uma distância geométrica conhecida, com a inserção a mostrar a diferença nos módulos de distância entre NGC 5584 e NGC 4258, medida com cada telescópio. Os dois telescópios estão em excelente concordância.
Crédito: NASA, ESA, A. Riess (STScI) e G. Anand (STScI)

“O que os resultados ainda não explicam é porque é que o Universo parece estar a expandir-se tão rapidamente! Podemos prever o ritmo de expansão do Universo observando a sua imagem de bebé, a radiação cósmica de fundo em micro-ondas e depois utilizar o nosso melhor modelo de como cresce ao longo do tempo para nos dizer a que velocidade o Universo deverá estar a expandir-se actualmente.

O facto de a medida actual do ritmo de expansão exceder significativamente a previsão é um problema que já dura há uma década, chamado “A Tensão de Hubble”. A possibilidade mais excitante é que a Tensão seja uma pista sobre algo que nos está a faltar na nossa compreensão do cosmos.

“Pode indicar a presença de energia escura exótica, matéria escura exótica, uma revisão da nossa compreensão da gravidade, ou a presença de uma partícula ou campo único.

A explicação mais mundana seria a existência de múltiplos erros de medição que conspiram na mesma direcção (os astrónomos excluíram a possibilidade de um único erro utilizando passos independentes), por isso é que é tão importante refazer as medições com maior fidelidade.

Com o Webb a confirmar as anteriores medições do Hubble, são as evidências mais fortes até agora de que os erros sistemáticos na fotometria das Cefeidas pelo Hubble não desempenham um papel significativo na actual Tensão do Hubble. Como resultado, as possibilidades mais interessantes permanecem em cima da mesa e o mistério da Tensão aprofunda-se”.

// NASA (blog)
// STScI (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (arXiv.org)

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15 de Setembro de 2023


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619: O movimento das estrelas perto do buraco negro central da Via Láctea só é previsível até algumas centenas de anos

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⚗️ CIÊNCIA // 🔭 ASTRONOMIA // 🌃 ESTRELAS

As órbitas de 27 estrelas que orbitam muito perto do buraco negro no centro da nossa Via Láctea são tão caóticas que os investigadores não conseguem prever com confiança onde estarão daqui a 462 anos.

É o que revelam as simulações efectuadas por três astrónomos dos Países Baixos e do Reino Unido. Os investigadores publicaram as suas conclusões em dois artigos científicos.

Simulação dos movimentos das estrelas em torno do buraco negro no centro da Via Láctea. À esquerda estão representadas as órbitas das estrelas. Estas órbitas foram calculadas durante 10.000 anos. Parece que as estrelas não divergem das suas órbitas. O painel da direita é uma ampliação perto do centro do enxame. Revela que as estrelas têm variações consideráveis ao longo das suas órbitas. A órbita amarela, por exemplo, flutua nesses 10.000 anos num intervalo de quarenta vezes a distância da Terra ao Sol.
Crédito: Simon Portegies Zwart et al.

Simular 27 estrelas e as suas interacções entre si e com o buraco negro é mais fácil de dizer do que de fazer. Durante séculos, por exemplo, foi impossível prever os movimentos de mais de duas estrelas, planetas, rochas ou outros objectos em interacção.

Só em 2018 é que investigadores de Leiden desenvolveram um programa de computador em que os erros de arredondamento já não desempenhavam qualquer papel nos cálculos.

Com isto, conseguiram calcular os movimentos de três estrelas imaginárias. Agora os investigadores expandiram o seu programa para lidar com 27 estrelas que, segundo os padrões astronómicos, se movem perto do buraco negro no centro da Via Láctea.

As simulações das 27 estrelas massivas e do buraco negro resultaram numa surpresa. Embora as estrelas permaneçam nas suas órbitas em torno do buraco negro, as interacções entre as estrelas mostram que as órbitas são caóticas.

Isto significa que pequenas perturbações provocadas pelas interacções subjacentes alteram as órbitas das estrelas. Estas alterações crescem exponencialmente e, a longo prazo, tornam as órbitas das estrelas imprevisíveis.

Buraco negro proporciona um choque

“Só passados 462 anos, já não conseguimos prever as órbitas com confiança. É um período surpreendentemente curto”, afirma o astrónomo Simon Portegies Zwart (Universidade de Leiden, Países Baixos).

Ele compara-o com o nosso Sistema Solar, que já não é previsível com confiança ao fim de 12 milhões de anos. “Por isso, a vizinhança do buraco negro é 30 mil vezes mais caótica do que a nossa, e não estávamos à espera disso.

Claro, o Sistema Solar é cerca de 20.000 vezes mais pequeno, contém milhões de vezes menos massa e tem apenas oito objectos relativamente leves em vez de 27 massivos, mas, se me tivessem perguntado antes, isso não deveria ter tido tanta importância”.

De acordo com os investigadores, o caos surge de cada vez mais ou menos da mesma forma. Há sempre duas ou três estrelas que se aproximam muito umas das outras. Isto provoca um empurrar e puxar mútuo entre as estrelas. O que, por sua vez, leva a órbitas estelares ligeiramente diferentes.

O buraco negro em torno do qual essas estrelas orbitam é então ligeiramente afastado, o que, por sua vez, é sentido por todas as estrelas. Desta forma, uma pequena interacção entre duas estrelas afecta todas as 27 estrelas do grupo central.

Ampliando a órbita

“Executamos a nossa simulação durante 10.000 anos de cada vez. De uma perspectiva aérea, as órbitas estelares parecem permanecer inalteradas com o tempo”, diz Tjarda Boekholt (ex-aluno de Portegies Zwart em 2015 e actualmente a trabalhar na Universidade de Oxford, Reino Unido).

“Só quando se começa a fazer zoom num segmento de uma órbita é que as variações caóticas se tornam visíveis. Estas variações podem atingir grandes valores, até quarenta unidades astronómicas, que é quarenta vezes a distância da Terra ao Sol”.

Os investigadores gostam de comparar o caos no buraco negro com andar de bicicleta por uma cidade. Sabe-se aproximadamente quanto tempo demora, mas é impossível prever exactamente quanto tempo demora.

Se uma ponte estiver aberta, ou se alguém saltar para a frente da nossa bicicleta, podemos chegar minutos mais tarde.

“E é mais ou menos assim que funciona com as estrelas à volta do buraco negro”, diz Portegies Zwart. “Sabemos que ocorrem regularmente acontecimentos inesperados, que provocam uma mudança exponencial, que agora podemos medir.

Mas a implicação é que o centro da Via Láctea, com o buraco negro e as 27 estrelas que o orbitam, já não é previsível com confiança ao fim de 462 anos. Já não podemos prever de forma fiável as posições e velocidades dessas estrelas”.

Para Portegies Zwart e colegas, não são tanto os 462 anos que interessam. “462 anos é obviamente muito curto, mas o que queremos dizer é que, como astrónomos, temos de olhar de forma diferente do que fazíamos antes para o que acontece na vizinhança de um buraco negro”, disse Portegies Zwart.

“E temos de encontrar novas palavras para o efeito. Por exemplo, comecei a construir um glossário de definições com Tjarda Boekholt, simplesmente porque não existiam termos que captassem com precisão este novo tipo de comportamento caótico que estávamos a observar.”

Caos pontuado

Os investigadores denominaram o fenómeno de “caos pontuado”. O termo é inspirado na biologia evolutiva, onde ocorre o oposto: o chamado equilíbrio pontuado.

Trata-se da evolução no interior das espécies, em que existe frequentemente um equilíbrio a longo prazo que é interrompido apenas muito esporadicamente por um acontecimento chocante.

“Antes desta investigação, não se sabia se o caos nas simulações tinha uma origem física ou se provinha de erros de arredondamento e outros problemas com os cálculos”, diz o co-autor Douglas Heggie, matemático e astrónomo reformado, mas ainda activo, da Universidade de Edimburgo (Reino Unido) e pioneiro no domínio do problema dos n-corpos. “Pusemos as simulações e os cálculos subjacentes à prova de muitas maneiras.

Os nossos resultados mantêm-se sólidos. Agora podemos fazer afirmações reais sobre o comportamento caótico de sistemas com múltiplas estrelas. Isso é óptimo”.

// NOVA (comunicado de imprensa)
// Artigo científico #1 (International Journal of Modern Physics D)
// Artigo científico #1 (arXiv.org)
// Artigo científico #2 (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)
// Artigo científico #2 (arXiv.org)

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Swift aprende um novo truque, avista um buraco negro “petiscador”

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CIÊNCIA // ASTRONOMIA // SWIFT

Usando o Observatório Neil Gehrels Swift da NASA, lançado em 2004, os cientistas descobriram um buraco negro numa galáxia distante a “petiscar” repetidamente uma estrela semelhante ao Sol.

O objecto anuncia uma nova era de ciência com o Swift, possível graças a um novo método de análise dos dados do instrumento XRT (X-ray Telescope) do satélite.

Swift J0230 ocorreu a mais de 500 milhões de anos-luz de distância, numa galáxia chamada 2MASX J02301709+2836050, captada aqui pelo telescópio Pan-STARRS no Hawaii.
Crédito: Instituto Neils Bohr/Daniele Malesani

“O hardware e o software do Swift e as competências da sua equipa internacional permitiram-lhe adaptar-se a novas áreas da astrofísica ao longo da sua vida”, disse Phil Evans, astrofísico da Universidade de Leicester, no Reino Unido, e membro de longa data da equipa do Swift.

“Neil Gehrels, o homónimo da missão, supervisionou e encorajou muitas dessas transições. Agora, com esta nova capacidade, está a fazer ciência ainda mais interessante”.

Evans liderou um estudo sobre a estrela azarada e o seu buraco negro esfomeado, colectivamente designados por Swift J023017.0+283603 (ou Swift J0230, para abreviar), que foi publicado a 7 de Setembro na revista Nature Astronomy.

Quando uma estrela se aproxima demasiado de um buraco negro monstruoso, as forças gravitacionais criam marés intensas que a dilaceram numa corrente de gás.

A extremidade dianteira gira em torno do buraco negro e a extremidade traseira escapa do sistema. Estes episódios destrutivos são chamados eventos de perturbação de marés.

Os astrónomos vêem-nos como surtos de luz em vários comprimentos de onda criados quando os detritos colidem com um disco de material que já orbita o buraco negro.

Os astrónomos têm investigado recentemente variações deste fenómeno, a que chamam perturbações de marés parciais ou repetidas.

Durante estes eventos, sempre que uma estrela em órbita passa perto de um buraco negro, a estrela incha para fora e perde material, mas sobrevive. O processo repete-se até que a estrela perde demasiado gás e acaba por ser destruída.

As características de cada estrela individual e do sistema de buraco negro determinam o tipo de emissão que os cientistas observam, criando uma grande variedade de comportamentos a categorizar.

Exemplos anteriores incluem uma explosão que ocorreu a cada 114 dias, potencialmente causada por uma estrela gigante que orbitava um buraco negro com 78 milhões de vezes a massa do Sol.

Outra ocorreu a cada nove horas em torno de um buraco negro com 400.000 vezes a massa do Sol, provavelmente causada por uma “cinza” estelar em órbita de nome anã branca.

No dia 22 de Junho de 2022, o XRT captou Swift J0230 pela primeira vez. “Acendeu-se” numa galáxia a cerca de 500 milhões de anos-luz de distância, na direcção da constelação do hemisfério norte de Triângulo. O XRT do Swift observou nove explosões adicionais a partir do mesmo local, aproximadamente a cada poucas semanas.

Agora não se vê, agora vê-se! Imagens de raios X do mesmo local no céu antes (esquerda) e depois (direita) da erupção de Swift J0230. Estas imagens foram obtidas com o instrumento XRT a bordo do satélite Swift.
Crédito: Phil Evans (Universidade de Leicester)/Swift da NASA

Evans e a sua equipa propõem que Swift J0230 é uma perturbação repetida de uma estrela semelhante ao Sol que orbita um buraco negro com mais de 200.000 vezes a massa do Sol. Estimam que a estrela perde cerca de três massas terrestres de material em cada passagem.

Este sistema constitui uma ponte entre outros tipos de perturbações repetitivas suspeitas e permitiu aos cientistas modelar a forma como as interacções entre diferentes tipos de estrelas e tamanhos de buracos negros afectam o que observamos.

“Procurámos e procurámos o evento de aumento de brilho nos dados recolhidos pelo UVOT (Ultraviolet/Optical Telescope) do Swift”, disse Alice Breeveld, investigadora do MSSL (Mullard Space Science Laboratory) do Colégio Universitário de Londres, que trabalhou no instrumento desde antes do lançamento do satélite.

“Mas não havia qualquer sinal dele. A variabilidade da galáxia estava inteiramente nos raios X. Isso ajudou a excluir outras causas potenciais”.

A descoberta de Swift J0230 foi possível graças a uma nova pesquisa automatizada de observações obtidas pelo XRT, desenvolvida por Evans, chamada “Swift X-ray Transient Detector”.

Depois do instrumento observar uma parte do céu, os dados são transmitidos para o solo e o programa compara-os com imagens anteriores do mesmo local pelo XRT. Se essa parte do céu, em raios X, tiver mudado, os cientistas recebem um alerta. No caso de Swift J0230, Evans e os seus colegas conseguiram coordenar rapidamente observações adicionais da região.

O Swift foi originalmente concebido para estudar as explosões de raios gama, as explosões mais poderosas do cosmos. No entanto, desde que o satélite foi lançado, os cientistas reconheceram a sua capacidade para estudar uma série de objectos celestes, como perturbações de marés e cometas.

“Swift J0230 foi descoberto apenas cerca de dois meses depois de Phil ter lançado o seu programa”, disse S. Bradley Cenko, investigador principal da missão no Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, no estado norte-americano de Maryland.

“É um bom presságio para a capacidade do detector em identificar outros eventos transitórios e para o futuro do Swift na exploração de novos espaços científicos”.

// NASA (comunicado de imprensa)
// Universidade de Leicester (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature Astronomy)
// Artigo científico (arXiv.org)

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12 de Setembro de 2023


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610: Estudo aponta para a existência dos buracos negros mais próximos da Terra no enxame estelar das Híades

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CIÊNCIA // ASTRONOMIA // BURACOS NEGROS

Um artigo científico publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society sugere a existência de vários buracos negros no enxame das Híades – o enxame aberto mais próximo do nosso Sistema Solar – o que faria deles os buracos negros mais próximos da Terra alguma vez detectados.

O estudo resulta de uma colaboração entre um grupo de cientistas liderado por Stefano Torniamenti, da Universidade de Pádua (Itália), com a participação significativa de Mark Gieles e Friedrich Anders, ambos da Faculdade de Física da Universidade de Barcelona e do Instituto de Estudos Espaciais da Catalunha (IEEC).

Imagem do enxame aberto das Híades.
Crédito: Jose Mtanous

Mais concretamente, a descoberta ocorreu durante uma estadia de investigação do perito Stefano Torniamenti no ICCUB (Instituto de Ciências do Cosmos da Universidade de Barcelona), uma das unidades de investigação que integram o IEEC.

Buracos negros no enxame estelar das Híades?

Desde a sua descoberta, os buracos negros são um dos fenómenos mais misteriosos e fascinantes do Universo e tornaram-se objecto de estudo para investigadores de todo o mundo. Isto é particularmente verdade para os buracos negros pequenos, porque foram observados durante a detecção de ondas gravitacionais.

Desde a detecção das primeiras ondas gravitacionais em 2015 que os especialistas têm observado muitos eventos que correspondem a fusões de pares de buracos negros de baixa massa.

Para o estudo publicado, a equipa de astrofísicos utilizou simulações que rastreiam o movimento e a evolução de todas as estrelas das Híades – localizadas a uma distância do Sol de cerca de 45 parsecs (cerca de 150 anos-luz) – para reproduzir o seu estado actual.

Os enxames abertos são grupos de centenas de estrelas que partilham certas propriedades, como a idade e as características químicas. Os resultados da simulação foram comparados com as posições e velocidades actuais das estrelas das Híades, que são agora conhecidas com precisão a partir de observações feitas pelo satélite Gaia da ESA.

“As nossas simulações só podem corresponder simultaneamente à massa e ao tamanho das Híades se alguns buracos negros estiverem actualmente presentes no centro do enxame (ou até recentemente)”, diz Stefano Torniamenti, investigador pós-doutorado na Universidade de Pádua e primeiro autor do artigo.

As propriedades observadas das Híades são mais bem reproduzidas por simulações com dois ou três buracos negros no presente, embora as simulações em que todos os buracos negros foram ejectados (há menos de 150 milhões de anos, aproximadamente o último quarto da idade do enxame) possam ainda assim dar uma boa correspondência, porque a evolução do enxame não poderia apagar os vestígios da sua anterior população de buracos negros.

Os novos resultados indicam que os buracos negros nascidos nas Híades ainda estão dentro do enxame, ou muito perto dele. Isto torna-os os buracos negros mais próximos do Sol, muito mais próximos do que o anterior candidato (nomeadamente o buraco negro Gaia BH1, que se encontra a 480 parsecs do Sol).

Nos últimos anos, os avanços do Gaia tornaram possível, pela primeira vez, estudar em pormenor a posição e a velocidade das estrelas de enxames abertos e identificar estrelas individuais com confiança.

“Esta observação ajuda-nos a compreender como a presença de buracos negros afecta a evolução dos enxames estelares e como estes, por sua vez, contribuem para as fontes de ondas gravitacionais”, afirma Mark Gieles, membro do Departamento de Física Quântica e Astrofísica da Universidade de Barcelona e anfitrião do primeiro autor nessa cidade. “Estes resultados também nos dão uma ideia de como estes objectos misteriosos estão distribuídos pela Galáxia”.

O novo estudo é o resultado de uma estreita colaboração entre a Universidade de Pádua, o ICUBB-IEEC, a Universidade de Cambridge (Reino Unido), o Observatório Europeu do Sul (ESO) e a Universidade Nacional Sun Yat-sen (China).

// Universidade de Barcelona (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)
// Artigo científico (arXiv.org)

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609: Prevista a possível existência de um planeta de tamanho semelhante à Terra nos confins do Sistema Solar

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CIÊNCIA // ASTRONOMIA // DESCOBERTAS

Existem muitas anomalias por explicar nas órbitas e na distribuição dos objectos transneptunianos, pequenos corpos celestes localizados nos confins do Sistema Solar.

Agora, com base em simulações informáticas detalhadas do início do Sistema Solar exterior, investigadores do Japão prevêem a possibilidade de um planeta com um tamanho semelhante ao da Terra, ainda não descoberto, para lá de Neptuno, orbitar o Sol. Se esta previsão se concretizar, poderá revolucionar a nossa compreensão da história do Sistema Solar.

Impressão artística de um planeta de tamanho semelhante ao da Terra nos confins do Sistema Solar.
Crédito: Fernando Peña D’Andrea

A maioria das pessoas está familiarizada com os oito planetas conhecidos do Sistema Solar. No entanto, é quase certo que, há milhares de milhões de anos, o Sistema Solar formou mais planetas do que estes oito.

Embora a maior parte deles já tenha desaparecido ou saído do Sistema Solar, será possível que alguns tenham permanecido e sobrevivido até aos dias de hoje?

A resposta a esta pergunta pode vir dos chamados OTNs (objectos transneptunianos). Como o nome indica, os OTNs são pequenos corpos celestes que orbitam o Sol a uma distância média superior à da órbita de Neptuno.

Em particular, a distante Cintura de Kuiper, a região localizada a mais de 7,5 mil milhões de quilómetros (ou 50 unidades astronómicas) do Sol, contém muitos OTNs.

Embora estes objectos representem os restos da formação planetária no Sistema Solar exterior, as suas órbitas e distribuição podem muito bem revelar a presença de planetas por descobrir.

Num estudo recente, publicado na revista The Astronomical Journal no dia 25 de agosto, o professor associado Patryk Sofia Lykawka da Universidade de Kindai no Japão e o professor associado Takashi Ito do CfCA (Center for Computational Astrophysics) do NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan) resolveram este enigma.

Com base na análise teórica das observações e em simulações computacionais de ponta, chegaram à notável conclusão de que um planeta com aproximadamente o tamanho da Terra (1,5-3 vezes mais massivo) pode estar à espreita na distante Cintura de Kuiper!

Os investigadores começaram por analisar em pormenor a estrutura orbital da distante Cintura de Kuiper, que exibe várias anomalias por explicar. Por exemplo, existe uma grande população de OTNs isolados cujas órbitas estão para além da influência gravitacional de Neptuno.

Além disso, há um número significativo de OTNs com órbitas altamente inclinadas, juntamente com uma população de “OTNs extremos” cujas órbitas são extremamente difíceis de explicar com os modelos actuais para a formação do Sistema Solar e da Cintura de Kuiper.

Com base nestas análises, os investigadores teorizaram que outro planeta para além dos quatro gigantes (Júpiter, Saturno, Úrano e Neptuno) deve ter influenciado a formação da Cintura de Kuiper.

Para testar a sua hipótese, efectuaram uma série de simulações utilizando os computadores instalados no laboratório de Lykawka e o grupo de PCs de uso geral do NAOJ, usando modelos do Sistema Solar primitivo que existia há cerca de 4,5 mil milhões de anos.

Aqui, os investigadores consideraram interacções entre os quatro planetas gigantes, um hipotético planeta da Cintura de Kuiper e um disco de pequenos objectos representando a distante Cintura de Kuiper primordial.

Depois de cada simulação ter sido concluída, as populações de OTNs resultantes, após um período de 4,5 mil milhões de anos, foram comparadas com as obtidas a partir de observações modernas para ver se algum dos modelos explicava as anomalias na distante Cintura de Kuiper.

Notavelmente, os melhores resultados das simulações sugeriam que deveria existir um planeta por descobrir com uma massa 1,5-3 vezes superior à da Terra a orbitar o Sol a distâncias entre cerca de 200 e 500 (ou mesmo ~200-800) unidades astronómicas.

Graças à massa palpável e a uma órbita inclinada de cerca de 30°, um tal planeta poderia ter gerado o grande número de OTNs isolados, os OTNs altamente inclinados, bem como os OTNs extremos com órbitas peculiares, de acordo com as nossas observações actuais.

A descoberta de um novo planeta de tamanho semelhante ao da Terra no Sistema Solar teria, sem dúvida, implicações profundas, como explica o Dr. Lykawka: “Primeiro, o Sistema Solar voltaria a ter oficialmente nove planetas.

Além disso, à semelhança do que aconteceu em 2006 quando Plutão foi despromovido da categoria de planeta, teríamos de aperfeiçoar a definição de ‘planeta’, uma vez que um planeta de tamanho semelhante à Terra, localizado muito para além de Neptuno, pertenceria provavelmente a uma nova classe de planetas. Finalmente, as nossas teorias sobre a formação do Sistema Solar e dos planetas também precisariam de ser revistas”.

Agora que a previsão foi feita, é altura de procurar este planeta na distante Cintura de Kuiper. De acordo com o Dr. Lykawka, futuros levantamentos astronómicos japoneses ou internacionais poderão ser capazes de detectar este novo planeta em menos de uma década.

Muitos novos OTNs extremos poderiam ser descobertos no processo, fornecendo informações valiosas sobre a região transneptuniana.

“Um conhecimento mais pormenorizado da estrutura orbital na distante Cintura de Kuiper dar-nos-á uma melhor compreensão da formação do Sistema Solar exterior, o que também revelará as condições em que os planetas se formaram.

Mesmo a descoberta de um único ou de alguns desses novos OTNs poderia revolucionar as nossas teorias sobre a formação do Sistema Solar”.

// Universidade de Kindai (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astronomical Journal)
// Artigo científico (arXiv.org)

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607: A detecção mais distante do campo magnético de uma galáxia

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CIÊNCIA // ASTRONOMIA // GALÁXIAS

Com o auxílio do ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), os astrónomos detectaram o campo magnético de uma galáxia tão distante que a sua luz demorou mais de 11 mil milhões de anos a chegar até nós: estamos a observá-la quando o Universo tinha apenas 2,5 mil milhões de anos de idade.

Este resultado forneceu aos astrónomos pistas cruciais sobre como é que se formaram os campos magnéticos de galáxias tais como a nossa Via Láctea.

Esta imagem mostra a orientação do campo magnético da galáxia distante 9io9, observada quando o Universo tinha apenas 20% da sua idade actual — a detecção mais distante do campo magnético de uma galáxia. As observações foram obtidas pelo ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), do qual o ESO é um parceiro. Os grãos de poeira no seio de 9io9 estão mais ou menos alinhados com o campo magnético da galáxia e, por isso, emitem luz polarizada, o que significa que as ondas de luz oscilam segundo uma direcção privilegiada, em vez de aleatória. O ALMA detectou esta polarização, a partir da qual os astrónomos puderam determinar a orientação do campo magnético, que aqui mostramos como linhas curvas sobrepostas à imagem ALMA.
A luz polarizada emitida pela poeira magneticamente alinhada de 9io9 era extremamente fraca, representando apenas 1% do brilho total da galáxia, no entanto os astrónomos usaram um “truque” da natureza para obter este resultado: uma lente gravitacional. Apesar de 9io9 estar muito longe de nós, a sua luz aparece-nos distorcida e muito mais brilhante, uma vez que se curva por efeito da gravidade de um objecto muito maior que se encontra entre ela e a Terra.
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/J. Geach et al.

Há imensos objectos no Universo que apresentam campos magnéticos, sejam eles planetas, estrelas ou galáxias.

“As pessoas podem não se aperceber, mas na nossa Galáxia e noutras galáxias entrelaçam-se campos magnéticos com dimensões da ordem das dezenas de milhares de anos-luz,” diz James Geach, professor de astrofísica na Universidade de Hertfordshire, no Reino Unido, e autor principal deste estudo publicado na revista Nature.

“Na realidade, sabemos muito pouco relativamente à formação destes campos magnéticos, apesar de serem fundamentais para compreendermos a evolução galáctica,” acrescenta Enrique Lopez Rodriguez, investigador na Universidade de Stanford, EUA, que também participou no estudo.

Não é claro quão cedo na vida do Universo, e quão rápido, é que os campos magnéticos se formaram nas galáxias, isto porque, até agora, os astrónomos apenas tinham mapeado campos magnéticos em galáxias próximas.

Agora, e com o auxílio do ALMA, do qual o ESO é um parceiro, Geach e a sua equipa descobriram um campo magnético completamente formado numa galáxia distante, semelhante em estrutura àqueles observados em galáxias próximas.

O campo é cerca de mil vezes mais fraco do que o campo magnético da Terra, mas estende-se ao longo de mais de 16.000 anos-luz.

“Esta descoberta dá-nos novas pistas sobre como é que os campos magnéticos se formam à escala galáctica,” explica Geach.

A observação de um campo magnético completamente desenvolvido tão cedo na história do Universo indica que os campos magnéticos que englobam galáxias inteiras podem formar-se rapidamente na altura em que as galáxias jovens ainda se estão a desenvolver.

Esta imagem infravermelha mostra a galáxia distante 9io9, que aqui vemos como um arco avermelhado que se curva em torno de uma galáxia brilhante próxima de nós. Esta galáxia próxima actua como uma lente gravitacional: a sua massa curva o espaço-tempo à sua volta, curvando assim os raios de luz que nos chegam de 9io9, que está ao fundo e, por isso, nos aparece com esta forma distorcida.
Esta imagem colorida resulta da combinação de imagens infravermelhas obtidas com o telescópio VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) do ESO, no Chile, e com o CFHT (Canada-France-Hawaii Telescope), nos EUA.
Crédito: ESO/J. Geach et al.

A equipa pensa que a formação estelar intensa no Universo primordial poderá acelerar o desenvolvimento de campos magnéticos. Adicionalmente, estes campos podem, por sua vez, influenciar o modo como se formam as gerações seguintes de estrelas.

Rob Ivison, co-autor do trabalho e astrónomo do ESO, afirma que esta descoberta abre “uma nova janela para o funcionamento interno das galáxias, uma vez que os campos magnéticos estão ligados ao material que está a formar novas estrelas.”

Para fazer esta detecção, a equipa observou a radiação emitida por grãos de poeira de uma galáxia distante, 9io9.

As galáxias estão repletas de grãos de poeira e quando um campo magnético se encontra presente, estes grãos tendem a alinhar-se, fazendo com que a radiação que emitem seja polarizada. Isto significa que as ondas de luz oscilam segundo uma direcção privilegiada, em vez de aleatória.

Quando o ALMA detectou e mapeou um sinal polarizado emitido pela galáxia 9io9, confirmou-se pela primeira vez a presença de um campo magnético numa galáxia muito distante.

“Nenhum outro telescópio teria conseguido fazer esta observação,” diz Geach. A esperança é que com esta e outras observações futuras de campos magnéticos distantes, começaremos a desvendar o mistério da formação destas estruturas galácticas fundamentais.

// ESO (comunicado de imprensa)
// Observatório ALMA (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature)
// Artigo científico (arXiv.org)

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8 de setembro de 2023


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