A descoberta de uma rara Cruz de Einstein

Utilizando observatórios como o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), astrônomos avistaram uma rara Cruz de Einstein.

© ALMA / NOEMA (galáxia HerS-3 e Cruz de Einstein)

O painel esquerdo mostra a galáxia HerS-3, amplificada gravitacionalmente em uma Cruz de Einstein com uma quinta imagem central brilhante, conforme observado pelo Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) no contínuo milimétrico (contornos amarelos), sobreposta à imagem do infravermelho próximo do telescópio espacial Hubble, identificando as quatro galáxias principais (G1 a G4) do grupo de galáxias. A estrela amarela indica a posição do halo de matéria escura (DM) associado ao grupo. O painel direito exibe a morfologia detalhada de cada uma das cinco imagens da Cruz de Einstein, conforme reveladas pelo ALMA.

A Cruz de Einstein formada a partir de cinco imagens da mesma galáxia distante, marca a primeira vez que astrônomos observaram tal característica em comprimentos de onda submilimétricos e de rádio. A descoberta tem o potencial de contribuir para o longo debate sobre o valor da constante de Hubble.

A galáxia de fundo, conhecida como HerS-3, está a 11,6 bilhões de anos-luz de distância. Em seu caminho para a Terra, a luz da HerS-3 encontrou um grupo de quatro galáxias massivas, bem como pelo menos outras 10 galáxias, localizadas a 7,8 bilhões de anos-luz de nós. A gravidade desse grupo em primeiro plano desdobrou a luz da HerS-3 em cinco imagens separadas, em um fenômeno conhecido como lente gravitacional. O resultado é um formato distinto conhecido como cruz de Einstein.

Juntamente com o ALMA, a equipe utilizou dados do NOEMA, na França, do Very Large Array (VLA), no Novo México, e do telescópio espacial Hubble. Eles usaram o NOEMA e o ALMA para mapear o gás molecular frio presente no HerS-3, que alimenta a formação estelar, o VLA para rastrear a emissão de rádio e o Hubble para fornecer a visão óptica de alta resolução necessária para determinar as posições e formas das galáxias que atuam como lentes.

O que foi descoberto é incomum. Normalmente, as cruzes de Einstein consistem em quatro imagens principais. Uma quinta imagem central, quando aparece, geralmente é muito tênue, pois a distribuição de massa interna da lente pode tanto diminuí-la quanto ofuscá-la. Com o HerS-3, no entanto, a quinta imagem foi nítida. Além disso, os pesquisadores, liderados por Pierre Cox (Instituto de Astrofísica de Paris), descobriram que a gravidade das galáxias visíveis do aglomerado interveniente não conseguia, por si só, explicar o arranjo exato das cinco imagens.

A única maneira de reproduzir a configuração notável observada foi adicionar um componente invisível e massivo: um halo de matéria escura no centro do grupo de galáxias. Este halo pesa vários trilhões de vezes a massa do nosso Sol. Isso significa que o centro de massa do aglomerado está deslocado da galáxia mais brilhante, tornando a quinta imagem tênue visível.

O alinhamento casual pode proporcionar um presente fortuito: a ampliação pode permitir estudos incomumente detalhados de uma galáxia starburst com desvio para o vermelho ~3 (quando o Universo tinha menos de um quinto de sua idade atual), incluindo seu gás, formação estelar e possíveis ejeções. 

A HerS-3 também pode ser útil no longo debate sobre o valor da constante de Hubble, a taxa de expansão atual do Universo. Mas diferentes maneiras de medi-la produzem resultados conflitantes sobre a velocidade com que o espaço está se expandindo atualmente. A HerS-3 poderia ser usada como outra forma de medir a constante de Hubble. Se a luz do objeto de fundo varia ao longo do tempo, o intervalo de tempo entre o aparecimento dessa variação em cada uma das imagens com lentes registradas depende, em parte, da expansão do Universo. Normalmente, são usados quasares para isso, já que eles naturalmente variam rapidamente em função do tempo. Mas a HerS-3 está formando estrelas, levantando a perspectiva de detectar uma supernova que chegaria a cada imagem em momentos diferentes, dando o intervalo de tempo e, portanto, as restrições à constante de Hubble. 

O que começou como uma forma interessante no céu pode acabar escondendo pistas mais profundas sobre um dos mistérios duradouros do Universo.

Os resultados foram publicados no periódico The Astrophysical Journal.

Fonte: Sky & Telescope

A imagem perdida de um quasar

Astrônomos ficaram intrigados com o motivo pelo qual um quasar com lente gravitacional não tinha uma de suas imagens, até que o observatório de raios X Chandra a encontrou.

© Chandra (quasar ausente, rotulado em E)

Se um objeto aparece no céu em quatro lugares ao mesmo tempo, pode parecer ganancioso dos astrônomos pedir mais. No caso de uma galáxia distante chamada HE0230-2130, no entanto, a ausência de uma quinta imagem foi inesperada. Como decifrar o enigma?

A galáxia HE0230-2130 abriga um buraco negro supermassivo em seu centro, conhecido como quasar. O buraco negro captura gás de seus arredores, gerando quantidades prodigiosas de luz no processo. A luz que vemos dele agora viajou 10,6 bilhões de anos para chegar à Terra. Do nosso ponto de vista, esses objetos no Universo distante se alinham perfeitamente com um objeto massivo diretamente à sua frente: duas galáxias em fusão em primeiro plano. A massa em primeiro plano atua como uma lente gravitacional, direcionando a luz do quasar mais distante por vários caminhos para criar múltiplas imagens.

Em um artigo do ano passado no periódico Astronomy & Astrophysics, uma equipe do Instituto Max Planck de Astrofísica, Alemanha, apresentou observações do quasar usando o par de telescópios Magellan de 6,5 metros no Chile. A equipe rejeitou várias razões pelas quais uma quinta imagem poderia ter escapado à detecção: entre as possibilidades que consideraram estava a microlente, a deflexão gravitacional adicional da luz do quasar por estrelas em uma galáxia interveniente. Outra possibilidade eram variações naturais no brilho do quasar. Qualquer um dos cenários poderia ter ofuscado a quinta imagem.

© Magellan (quatro imagens do quasar)

Esta imagem dos telescópios Magellan mostra quatro imagens (A, B, C e D) do quasar com lente gravitacional. G1 e G2 são as galáxias em primeiro plano, cuja massa está desviando a luz do quasar em múltiplas imagens.

No entanto, os astrônomos concluíram que nenhum efeito desse tipo seria forte o suficiente para ocultar completamente a quinta imagem da visão dos telescópios sensíveis. Em vez disso, eles procuraram explicar a imagem ausente por uma distribuição peculiar de massa, incluindo matéria normal e matéria escura, dentro e ao redor das galáxias em primeiro plano.

Depois de testar 12 distribuições de massa diferentes, às vezes incluindo até mesmo um aglomerado adicional de matéria escura, eles encontraram algumas que produziram apenas quatro imagens. Mas acontece que a quinta imagem simplesmente não era visível nas observações do Magellan. Porém, o objeto o comportamento do quasar também foi observado usando o observatório de raios X Chandra.

A causa provável do desaparecimento da quinta imagem é que a maioria dos fótons de raios X são os mais energéticos que o Chandra consegue observar, sugerindo que a poeira entre nós e o quasar está bloqueando a passagem de fótons de raios X menos energéticos, bem como de toda a luz visível.

As observações do telescópio espacial James Webb, que cobrem uma gama de comprimentos de onda infravermelhos, poderiam testar esse cenário. Mas, até que dados complementares sejam obtidos, essa interpretação ainda está em aberto. Mesmo com a quinta imagem encontrada, ainda acredita-se que a galáxia HE0230−2130 requer circunstâncias especiais para ser explicada, ou seja, a quinta imagem só pode estar onde está e os halos de matéria escura das galáxias em lente forem muito incomuns.

Fonte: Sky & Telescope

Espiando uma galáxia espiral através de uma lente cósmica

Esta nova imagem do telescópio espacial James Webb apresenta um raro fenômeno cósmico chamado anel de Einstein.

© Webb (SMACSJ0028.2-7537)

O que à primeira vista parece ser uma única galáxia de formato estranho são, na verdade, duas galáxias separadas por uma grande distância. A galáxia mais próxima em primeiro plano fica no centro da imagem, enquanto a galáxia mais distante em segundo plano parece estar envolta pela galáxia mais próxima, formando um anel.

Os anéis de Einstein ocorrem quando a luz de um objeto muito distante é curvada em torno de um objeto intermediário massivo. Isso é possível porque o espaço-tempo, a própria estrutura do Universo, é curvado pela massa e, portanto, a luz que viaja através do espaço e do tempo também é curvada.

Esse efeito é sutil demais para ser observado em nível local, mas às vezes se torna claramente observável quando se lida com curvaturas da luz em escalas astronômicas enormes, como quando a luz de uma galáxia é curvada em torno de outra galáxia ou aglomerado de galáxias. Quando os objetos se alinham perfeitamente, o resultado é o formato característico do anel de Einstein, que aparece como um círculo completo ou um círculo parcial de luz ao redor do objeto lente, dependendo da precisão do alinhamento.

Objetos como esses são o laboratório ideal para pesquisar galáxias muito tênues e distantes para serem vistas de outra forma. A galáxia lente no centro deste anel de Einstein é uma galáxia elíptica, como pode ser visto a partir do núcleo brilhante e do corpo liso e sem características da galáxia. Esta galáxia pertence a um aglomerado de galáxias denominado SMACSJ0028.2-7537.

A galáxia que envolve a galáxia elíptica é uma galáxia espiral. Embora sua imagem tenha sido distorcida à medida que sua luz viajava ao redor da galáxia em seu caminho, aglomerados estelares individuais e estruturas gasosas são claramente visíveis. Os dados do Webb utilizados nesta imagem foram obtidos como parte do levantamento Strong Lensing and Cluster Evolution (SLICE), liderado por Guillaume Mahler, da Universidade de Liège, na Bélgica, e composto por uma equipe de astrônomos internacionais. Este levantamento visa rastrear 8 bilhões de anos de evolução de aglomerados de galáxias, observando 182 aglomerados de galáxias com o instrumento Near-InfraRed Camera do telescópio. Esta imagem também incorpora dados de dois instrumentos do telescópio espacial Hubble, a Wide Field Camera 3 e a Advanced Camera for Surveys.

Fonte: ESA

O telescópio espacial Euclid descobriu um “anel de Einstein”

Uma surpresa espetacular surgiu em uma varredura de rotina do cosmos: um "Anel de Einstein" quase perfeito, escondido à vista de todos ao redor de uma galáxia que os astrônomos conheciam há mais de um século.

© ESA / Euclid (NGC 6505)

A descoberta, feita pela missão Euclid da Agência Espacial Europeia (ESA), é uma prova tanto da serendipidade cósmica quanto do olhar aguçado do telescópio. Nas primeiras imagens de teste, notou-se algo incomum: uma galáxia distorcida e fora de foco. Algumas semanas depois, quando Euclid captou uma imagem mais clara e em foco da mesma região, a imagem mostrou um anel de Einstein quase perfeito, um raro fenômeno de lente gravitacional previsto pela primeira vez pela teoria geral da relatividade.

Lentes gravitacionais ocorrem quando a gravidade de um objeto massivo em primeiro plano, como uma galáxia, curva e amplia a luz de um objeto mais distante atrás dele. Esse efeito geralmente produz arcos ou distorções nas imagens, mas se o alinhamento entre as galáxias em primeiro plano e em segundo plano estiver correto, a luz da galáxia distante é curvada em um anel completo. O que torna essa descoberta em particular tão única é sua localização. A galáxia em primeiro plano, NGC 6505 na constelação de Draco, está relativamente próxima, a apenas 590 milhões de anos-luz da Terra. A maioria dos anéis de Einstein descobertos anteriormente ocorrem em torno de galáxias muito mais distantes, tornando-as mais difíceis de estudar em detalhes. A galáxia em segundo plano também está excepcionalmente próxima em comparação a outros objetos com lentes, embora sua luz ainda tenha levado 4,42 bilhões de anos para chegar à Terra.

Além disso, esta é a primeira vez que um Anel de Einstein foi encontrado centralizado ao redor do núcleo de uma galáxia da classe NGC, uma categoria de galáxias gerais catalogadas já no século XIX. O astrônomo americano Lewis A. Swift descobriu a NGC 6505 em 1884. Imagens de alta resolução são essenciais para detectar lentes gravitacionais e, surpreendentemente, nem o Hubble nem o telescópio espacial James Webb observaram esta galáxia em particular.

© ESA / Euclid (Anel de Einstein ao redor da galáxia NGC 6505)

O que podemos aprender com este anel? 

Os anéis de Einstein são ferramentas poderosas para entender o Universo. Eles ajudam a refinar as medições de distâncias cósmicas e taxas de expansão, porque os astrônomos podem usá-los para estudar como a luz da galáxia de fundo foi esticada e ampliada. Neste caso, a imagem nítida permite uma visão mais próxima da galáxia de fundo também.

Ao analisar como a luz da galáxia de fundo é curvada, os cientistas podem medir a massa de NGC 6505, incluindo seu conteúdo de matéria escura. De acordo com as descobertas iniciais, apenas cerca de 11% da massa dentro do anel é matéria escura. Em muitos Anéis de Einstein, a lente ocorre mais longe na galáxia, onde a matéria escura contribui mais significativamente, geralmente entre 25 a 50% da massa. Mas aqui, o anel está muito mais perto do centro da galáxia, onde a matéria normal domina.

O amplo campo de visão e a visão nítida de Euclid permitem que ele cubra vastas áreas do céu e detecte objetos raros perdidos por telescópios anteriores. Seu principal objetivo é mapear mais de um terço do céu, catalogando bilhões de galáxias até quando o Universo tinha apenas alguns bilhões de anos. A missão deve encontrar mais de 100.000 lentes gravitacionais fortes semelhantes a essa. Mas outra parte do objetivo da missão é estudar lentes gravitacionais fracas, nas quais a matéria escura distorce mais sutilmente as formas das galáxias. Ao catalogar lentes fracas em grandes faixas do céu, Euclid ajudará a mapear a estrutura do Universo e melhorar nossa compreensão da matéria escura e energia escura. 

O mapeamento da matéria escura revela como a gravidade molda as estruturas cósmicas e, ao comparar isso com a taxa de expansão do Universo, os cientistas podem entender melhor como a energia escura influencia essa expansão. Por enquanto, essa descoberta do Anel de Einstein serve como uma vitória inicial para a missão de Euclid, sugerindo as maravilhas ocultas que ainda não foram descobertas.

A descoberta foi publicada no periódico Astronomy & Astrophysics.

Fonte: Sky & Telescope

Um anel adornado com joias

Esta nova imagem obtida pelo telescópio espacial James Webb mostra as lentes gravitacionais do quasar conhecido como RX J1131-1231, localizado a cerca de seis bilhões de anos-luz da Terra, na constelação da Crater, a Taça.

© JWST (quasar RX J1131-1231)

É considerado um dos quasares com melhor lente gravitacional descobertos até hoje, já que a galáxia em primeiro plano mancha a imagem do quasar de fundo num arco brilhante e cria quatro imagens do objeto. 

As lentes gravitacionais, previstas pela primeira vez por Albert Einstein, oferecem uma rara oportunidade de estudar regiões próximas do buraco negro em quasares distantes, atuando como um telescópio natural e ampliando a luz destas fontes. Toda a matéria no Universo deforma o espaço à sua volta, com massas maiores produzindo um efeito mais forte. Em torno de objetos muito massivos, como galáxias, a luz que passa por perto segue este espaço distorcido, parecendo desviar-se do seu caminho original numa quantidade claramente visível. Uma das consequências das lentes gravitacionais é que podem ampliar objetos astronômicos distantes, permitindo o estudo de objetos que, de outra forma, seriam demasiado tênues. 

As medições da emissão de raios X dos quasares podem fornecer uma indicação da rapidez com que o buraco negro central gira e isto fornece aos astrônomos pistas importantes sobre como os buracos negros crescem ao longo do tempo. Por exemplo, se um buraco negro cresce principalmente a partir de colisões e fusões entre galáxias, deverá acumular material num disco estável, e o fornecimento constante de novo material a partir do disco deverá conduzir a um buraco negro com rotação rápida. Por outro lado, se o buraco negro crescesse através de muitos pequenos episódios de acreção, acumularia material em direções aleatórias. 

As observações indicaram que o buraco negro neste quasar em particular gira a mais de metade da velocidade da luz, o que sugere que este buraco negro cresceu através de fusões, em vez de puxar material de diferentes direções. 

Esta imagem foi captada com o MIRI (Mid-Infrared Instrument) do Webb como parte de um programa de observação para estudar a matéria escura. A matéria escura é uma forma invisível de matéria que representa a maior parte da massa do Universo. As observações de quasares pelo Webb estão permitindo aos astrônomos explorar a natureza da matéria escura em escalas menores do que nunca.

Fonte: ESA

Rara lente gravitacional deforma a luz de uma supernova

Os astrônomos captaram uma imagem bizarra de uma supernova, a poderosa explosão de uma estrela, cuja luz foi tão distorcida pela gravidade de uma galáxia, que aparece como múltiplas imagens no céu.

© J. Johansson (lente gravitacional de SN Zwicky)

Este efeito, conhecido como lente gravitacional, ocorre quando a gravidade de um objeto denso distorce e aumenta a luz de um objeto por trás dele. Uma equipe liderada por Ariel Goobar, do Centro Oskar Klein da Universidade de Estocolmo, descobriu que a incomum supernova de Tipo Ia, designada "SN Zwicky", sofreu um efeito quádruplo de lente, o que significa que quatro imagens da mesma supernova podiam ser vistas da Terra.

Poucas semanas depois de detectar a supernova no ZTF (Zwicky Transient Facility), no Observatório Palomar, Goobar e a sua equipe usaram o instrumento NIRC2 (Near-Infrared Camera 2) do Observatório W. M. Keck, emparelhado com o seu sistema de óptica adaptativa, e resolveram com sucesso SN Zwicky, revelando que a lente da supernova era suficientemente forte para ter criado múltiplas imagens do mesmo objeto. Também foram utilizados neste estudo o VLT (Very Large Telescope), o telescópio espacial Hubble, o telescópio Hobby-Eberly, o telescópio Liverpool e o NOT (Nordic Optical Telescope). 

Tal como previsto por Albert Einstein há mais de um século, a luz de um objeto cósmico que encontra um objeto denso no seu caminho até nós pode sofrer o efeito de lente gravitacional. O objeto denso atua como uma lente que pode dobrar e focar a luz. Dependendo da densidade da lente e da distância até nós, este efeito de deformação pode variar em intensidade. Com lentes fortes, a luz do objeto cósmico é tão distorcida que é ampliada e dividida em várias cópias da mesma imagem. 

Os astrônomos têm observado a curvatura gravitacional da luz desde 1919, poucos anos depois de Einstein ter desenvolvido a teoria, mas a natureza transiente das supernovas torna eventos como SN Zwicky, também conhecida como SN 2022qmx, muito difíceis de detectar. Embora os cientistas já tenham detectado muitas vezes imagens duplicadas de objetos distantes chamados quasares, apenas foram encontradas algumas supernovas duplicadas devido às lentes gravitacionais. Um exemplo clássico, chamado iPTF16geu, foi descoberto pela iPTF (intermediate Palomar Transient Factory), antecessora do ZTF.

Quais são os componentes em falta necessários para modelar a história da expansão do Universo? O que é a matéria escura que constitui a grande maioria da massa das galáxias? À medida que novas descobertas forem obtidas com o ZTF e com o futuro Observatório Vera Rubin, teremos mais uma ferramenta para desvendar os mistérios do Universo e encontrar respostas. 

Um artigo foi publicado na revista Nature Astronomy. 

Fonte: W. M. Keck Observatory

A gravidade curva a luz para revelar um dos maiores buracos negros

Uma equipe de astrônomos, liderada pelo Dr. James Nightingale do Departamento de Física da Universidade de Durham, descobriu um dos maiores buracos negros jamais encontrados, através  do fenômeno de lente gravitacional.

© Hubble (Abell 1201)

A imagem acima mostra a galáxia elíptica Abell 1201 focalizada pelo telescópio espacial Hubble, onde o quadro à esquerda destaca a região do infravermelho próximo e o quadro à direita destaca a região do óptico.

As lentes gravitacionais - onde uma galáxia em primeiro plano curva a luz de um objeto mais distante e a amplia - e as simulações de supercomputador nas instalações DiRAC (Distributed Research Utilising Advanced Computing) HPC (High Performance Computing) permitiram à equipe examinar de perto como a luz é "dobrada" por um buraco negro no interior de uma galáxia a centenas de milhões de anos-luz da Terra.

A equipe simulou luz que viajava pelo Universo centenas de milhares de vezes, com cada simulação incluindo um buraco negro de massa diferente, mudando a viagem da luz à Terra. Quando os pesquisadores incluíram um buraco negro ultramassivo numa das suas simulações, o percurso tomado pela luz da galáxia distante, até chegar à Terra, coincidiu com o percurso visto em imagens reais captadas pelo telescópio espacial Hubble. 

Foi encontrado um buraco negro ultramassivo, um objeto com mais de 30 bilhões de vezes a massa do nosso Sol, na galáxia em primeiro plano, uma escala raramente vista pelos astrônomos. A maioria dos maiores buracos negros que conhecemos estão num estado ativo, onde a matéria que é puxada para perto do buraco negro aquece e libera energia sob a forma de luz, raios X e outros tipos de radiação. 

A lente gravitacional torna possível o estudo de buracos negros inativos, algo atualmente não possível em galáxias distantes. Esta abordagem poderia permitir aos astrônomos descobrir muitos mais buracos negros inativos e ultramassivos do que se pensava anteriormente e investigar como ficaram tão grandes.

A história desta descoberta em particular começou em 2004 quando o astrônomo da Universidade de Durham, o professor Alastair Edge, notou um arco gigante de uma lente gravitacional ao rever imagens de um levantamento de galáxias. Avançando rapidamente 19 anos com a ajuda de algumas imagens de altíssima resolução pelo telescópio espacial Hubble e das instalações do supercomputador DiRAC COSMA8 da Universidade de Durham, o Dr. Nightingale e a sua equipe puderam revisitá-lo e explorá-lo mais a fundo. 

Espera-se que este seja o primeiro passo para permitir uma exploração mais profunda dos mistérios dos buracos negros e que os futuros grandes telescópios ajudem os astronomos a estudar buracos negros ainda mais distantes para aprenderem mais sobre o seu tamanho e escala. 

Este é o primeiro buraco negro encontrado usando lentes gravitacionais e as descobertas foram publicadas no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 

Fonte: Royal Astronomical Society