Nova era na medição da primeira luz do Universo

A luz mais antiga do Universo tem viajado pelo espaço desde logo após o Big Bang.

© Kevin Zagorski (South Pole Telescope)

Conhecida como radiação cósmica de fundo em micro-ondas, é imperceptível ao olho humano. Mas se os cientistas a conseguirem captar, utilizando alguns dos detectores mais sensíveis alguma vez fabricados, pode dizer-nos como o nosso Universo se formou e evoluiu ao longo do tempo.

Os pesquisadores divulgaram medições sensíveis, sem precedentes, da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, resultantes de dois anos de observações com uma câmara melhorada do SPT (South Pole Telescope). O telescópio, localizado na Estação Amundsen-Scott, na Antártida, foi concebido especificamente para mapear a luz muito tênue da radiação de fundo em micro-ondas.

Os resultados são impressionantes, a precisão dos pormenores da radiação cósmica de fundo em micro-ondas excede a de todas as medições anteriores, mesmo as efetuadas a partir do espaço. Quando combinados com dados de outros telescópios terrestres, oferecem uma nova referência para restringir as possíveis respostas a questões importantes sobre o Universo.

As novas leituras fornecem um controle cruzado do nosso modelo fundamental do Universo. À medida que forem sendo divulgados mais dados, estes irão aperfeiçoar vários testes de grandes questões pendentes na cosmologia, tais como a natureza da energia escura e o ritmo a que o Universo está se expandindo.

A radiação cósmica de fundo em micro-ondas, por vezes referida como o brilho remanescente do Big Bang, data de há mais de 13 bilhões de anos, do período imediatamente após a formação do nosso Universo. Isto torna-a uma fonte de informação incrivelmente rica. Esta radiação é extremamente tênue, e as suas variações são ainda mais sutis. Para ter a possibilidade de a captar, é necessário um céu muito limpo e condições de observação perfeitamente secas, condições essas que se encontram na Antártida.

O SPT, gerido por uma colaboração liderada pela Universidade de Chicago, tem mapeado esta radiação desde 2007. Ao longo dos anos, foram instaladas várias câmaras no telescópio, mas a mais recente, conhecida como SPT-3G, tem mais detectores do que as versões anteriores. Os dados do mais recente resultado foram obtidos em 2019 e 2020 e representam os dois primeiros anos de observações da SPT-3G na sua potência total. Cobrem cerca de 1/25 do céu, mapeando-o com mais pormenor do que qualquer outra medição deste tipo.

Uma das principais utilizações para estes dados é a de colocar restrições nas muitas possíveis respostas às nossas questões sobre o Universo, tais como a forma como se formou e as leis fundamentais que regem a sua evolução. Os dados fornecidos pela radiação cósmica de fundo em micro-ondas ajudam a orientar a procura de uma imagem coesa de tudo o que existe.

O melhor modelo atual para explicar a formação do cosmos é conhecido como Lambda-CDM. No entanto, estudos recentes têm revelado indícios tentadores de que o modelo Lambda-CDM pode não ser o quadro completo. Há também um debate em andamento sobre o ritmo de expansão do Universo, conhecido como "tensão de Hubble", que teria ramificações significativas para a nossa compreensão do Universo e na qual a radiação cósmica de fundo em micro-ondas desempenha um papel fundamental.

As descobertas confirmam a tensão de Hubble de forma independente com uma significância estatística muito elevada, ao mesmo tempo que se mantêm consistentes com outras limitações da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, incluindo as da missão do satélite Planck e do ACT (Atacama Cosmology Telescope), no Chile. Também acentuam uma anomalia que surgiu recentemente no nosso quadro cosmológico, a discordância entre as restrições à radiação cósmica de fundo em micro-ondas e as dos levantamentos em grande escala dos movimentos das galáxias (particularmente os resultados recentes do DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument).

Anteriormente, o padrão de ouro para as medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas eram os dados do satélite Planck, obtidos há mais de uma década. Agora, os novos dados do SPT, quando combinados com os dados do ACT, estabelecem um novo padrão, um momento pelo qual muitos no campo têm estado à espera. Estes novos resultados representam menos de um-quarto dos dados obtidos com a SPT-3G no SPT.

Os telescópios espaciais, como o Planck, têm a vantagem de ter uma visão mais nítida, uma vez que a atmosfera da Terra não está perturbando a visão. Mas é substancialmente mais fácil operar um telescópio a partir do solo. É muito mais fácil criar um instrumento complexo que funcione mesmo num local tão inóspito como a Antártida do que conceber algo que tenha de sobreviver a um lançamento de foguete e às condições do espaço.

Fonte: University of Chicago

As primeiras imagens do Observatório Vera C. Rubin

Nas primeiras imagens obtidas pelo Observatório Vera C. Rubin notam-se vistas panorâmicas de nebulosas e galáxias comprovando o enorme campo de visão e as capacidades de altíssima resolução do telescópio.

© Observatório Vera C. Rubin (Aglomerado de Virgem)

Uma das primeiras imagens obtida foi o Aglomerado de Virgem que fica a cerca de 65 milhões de anos-luz de distância e abriga mais de 2.000 galáxias em uma região do espaço que abrange dezenas de milhões de anos-luz e cobre mais de 8° no céu. Essas imagens mostram apenas duas pequenas seções da visão total do aglomerado pelo Observatório Vera C. Rubin e incluem uma variedade de morfologias galácticas, desde elípticas grandes, brilhantes e difusas até espirais delicadas e pequenas anãs.

Apesar do tamanho e alcance do Aglomerado de Virgem, nem todas as galáxias nessas imagens fazem parte do aglomerado, muitas das galáxias menores espalhadas pelo quadro estão no fundo distante. Em contraste, quaisquer estrelas visíveis nas imagens fazem parte da Via Láctea, situadas em primeiro plano. Quando imaginamos o céu, o espaço tridimensional é comprimido em uma representação bidimensional, de modo que objetos próximos e distantes se sobrepõem. No entanto, o Aglomerado de Virgem é de fato uma enorme concentração local de galáxias, tornando-o um lugar fascinante para observar e o lugar perfeito para estudar como as galáxias interagem e evoluem ao longo do tempo.

© Observatório Vera C. Rubin (M20 e M8)

Essa imagem rica e vibrante, repleta de gás brilhante e estrelas dispersas, mostra as nebulosas Trífida e da Lagoa (M20 e M8, respectivamente). A Nebulosa Trífida, assim chamada em homenagem aos três lóbulos separados pelas faixas escuras de poeira de Barnard 85 que se cruzam em seu centro, está localizada no canto superior direito. A muito maior Nebulosa da Lagoa, uma conhecida região de formação estelar, brilha no canto inferior esquerdo, ocupando a parte central da imagem. Ambas as nebulosas estão localizadas a cerca de 5.200 anos-luz de distância, na constelação de Sagitário. O plano galáctico, onde reside a maioria das estrelas, poeira e gás da Via Láctea, atravessa essa região, resultando em vistas cósmicas nas quais você sente que pode se perder. Essa imagem não é uma única imagem, mas uma composição de 678 imagens separadas obtidas ao longo de pouco mais de sete horas.

As fotos da maior câmera digital já construída têm uma resolução impressionante. Cada imagem completa captada pelo Telescópio de Levantamento Simonyi de 8,4 metros e pela Câmera LSST de 3.200 megapixels do observatório exigiria 400 telas de televisão de alta definição 4K para ser exibida em seu tamanho original. Não é de se surpreender, que o Observatório Rubin produzirá cerca de 20 terabytes de dados por noite, captando imagens de todo o céu do hemisfério sul a cada três ou quatro dias durante o Legacy Survey of Space and Time (LSST). Ele fará isso por 10 anos, construindo uma visão em lapso de tempo ultralarga e de altíssima definição do Universo que nunca tivemos antes.

A luz de objetos astronômicos reflete em cada um dos três espelhos do telescópio antes de entrar na câmera para a obtenção das imagens. Cada imagem cobre uma área no céu equivalente a 45 Luas Cheias, ou 9,62 graus quadrados. Assim que o LSST estiver em andamento, todas as noites o telescópio percorrerá o céu, captando cerca de 1.000 imagens por dia, guiado por um programador automatizado que leva em consideração fatores como o clima e os objetivos do levantamento. O observatório realizará um levantamento completo de todo o céu visível do hemisfério sul a partir de sua localização a cada três ou quatro dias e, em seguida, reiniciará o processo.

Ao final de 10 anos, que incluirão calibrações e medições fornecidas pelo observatório, os dados coletados podem chegar a 500 petabytes. Isso inclui cerca de 800 imagens visitadas de cada seção visível do céu, acumuladas ao longo desses 10 anos. O LSST produzirá trilhões de medições de bilhões de objetos, ajudando os astrônomos a entender melhor o cosmos em detalhes intrincados e provavelmente abrindo novos caminhos de pesquisa, levando-nos a fazer novas perguntas que nem sequer pensamos em fazer hoje. O Observatório Vera C. Rubin permitirá explorar galáxias, estrelas na Via Láctea, pulsares, supernovas, asteroides e cometas no Sistema Solar, tudo de uma maneira verdadeiramente nova.

Observe mais profundamente a imagem do Baú do Tesouro Cósmico utilizando o Skyviewer para estimar o número total de galáxias no Universo observável, estimando o número total de galáxias em um campo de visão do Observatório Vera C. Rubin. Um campo de visão do Observatório Vera C. Rubin mostra a extensão do Universo observável que ele capta cada vez que uma imagem é criada apontando o telescópio para o céu noturno. Isso equivale a aproximadamente 10 graus quadrados. A imagem do Baú do Tesouro Cósmico totalmente ampliada tem aproximadamente 24 graus quadrados.

As estimativas anteriores para o número total de galáxias no Universo observável eram de 200 a 300 bilhões de galáxias. Mas pesquisas recentes sugerem que é mais provável que o número gire em torno de dois trilhões de galáxias!

Fonte: Vera C. Rubin Observatory

A galáxia de Rubin

Nesta imagem do telescópio espacial Hubble, as estrelas brilhantes e pontiagudas estão em primeiro plano, em direção à heroica constelação setentrional de Perseu, bem dentro da nossa própria galáxia, a Via Láctea.

© Hubble (UGC 2885)

Em foco nítido está a UGC 2885, uma galáxia espiral gigante a cerca de 232 milhões de anos-luz de distância. Com cerca de 800.000 anos-luz de diâmetro, em comparação com o diâmetro da Via Láctea de aproximadamente 100.000 anos-luz, ela tem cerca de 1 trilhão de estrelas. Isso é cerca de 10 vezes mais estrelas que a Via Láctea.

Parte de uma pesquisa para entender como as galáxias podem crescer até tamanhos tão enormes, a UGC 2885 também fez parte de "Uma Viagem Interessante" e do estudo pioneiro da astrônoma americana Vera Rubin sobre a rotação de galáxias espirais. Seu trabalho foi o primeiro a demonstrar de forma convincente a presença dominante da matéria escura em nosso Universo.

Uma nova moeda dos EUA foi emitida em homenagem a Vera Rubin, enquanto o Observatório Vera C. Rubin, constituído de um telescópio refletor de 8,4 metros capaz de mapear todo o céu visível, deve revelar imagens de sua primeira visão do cosmos em 23 de junho deste ano.

Veja mais informações em Hubble investiga galáxia gigantesca.

Fonte NASA

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

Os arredores de um buraco negro e de um remanescente de supernova

O XRISM (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission) revelou a estrutura, o movimento e a temperatura do material em torno de um buraco negro supermassivo e num remanescente de supernova com um pormenor sem precedentes.

© JAXA (ilustração da região central de um núcleo galáctico ativo)

Os astrônomos apresentaram os primeiros resultados científicos do novo telescópio de raios X menos de um ano após o seu lançamento. 

O que é que um buraco negro gigantesco e os restos de uma estrela massiva que explodiu têm em comum? São ambos fenômenos celestes dramáticos em que um gás extremamente quente produz raios X altamente energéticos que o XRISM consegue ver. Nos seus primeiros resultados, a missão liderada pela JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency), com a participação da ESA (European Space Agency), mostra as suas capacidades únicas para revelar a velocidade e a temperatura do gás quente, chamado plasma, e as estruturas tridimensionais do material que rodeia um buraco negro e uma explosão estelar. 

Numa das suas observações de "primeira luz", o XRISM focou-se no remanescente de supernova N132D, localizado na Grande Nuvem de Magalhães a cerca de 160.000 anos-luz da Terra. Esta "bolha" interestelar de gás quente foi expelida pela explosão de uma estrela muito massiva há cerca de 3.000 anos. Usando o seu instrumento Resolve, o XRISM desvendou a estrutura em torno de N132D com grande pormenor. 

Contrariamente às suposições anteriores de uma simples concha esférica, os cientistas descobriram que o N132D tem a forma de uma rosquinha. Usando o efeito Doppler, mediram a velocidade a que o plasma quente no remanescente se move em direção a nós ou para longe de nós, e estabeleceram que este está se expandindo a uma velocidade aparente de cerca de 1.200 km/s.

© JAXA (gráfico da temperatura e energia do remanescente N132D)

Esta imagem mostra a observação do telescópio de raios X XRISM da JAXA do remanescente de supernova N132D. No topo da imagem, o remanescente de supernova é visto em raios X. O círculo amarelo representa a área onde o instrumento Resolve do XRISM revelou que o remanescente contém ferro extremamente quente (10 bilhões Kelvin). A linha rosa mostra a borda do remanescente, onde a onda de explosão interage com o meio interestelar, e o gás quente (plasma) é mais frio (cerca de 10 milhões Kelvin).

O espectro mostra muitos elementos químicos que estão presentes no remanescente de supernova N132D. O XRISM pode identificar cada elemento medindo a energia do fóton de raios X específico dos diferentes átomos.

Os átomos de ferro foram aquecidos durante a explosão de supernova através de violentas ondas de choque que se propagam para o interior, um fenômeno que tinha sido previsto pela teoria, mas nunca antes observado. Os remanescentes de supernova como N132D contêm pistas importantes sobre a forma como as estrelas evoluem e como elementos (pesados) essenciais à nossa vida, como o ferro, são gerados e espalhados para o espaço interestelar.

No entanto, os anteriores observatórios de raios X tiveram sempre dificuldade em revelar a forma como a velocidade e a temperatura do plasma eram distribuídas. O XRISM também forneceu aspectos da misteriosa estrutura que rodeia um buraco negro supermassivo.

Apontando para a galáxia espiral NGC 4151, localizada a 62 milhões de anos-luz, as observações do XRISM oferecem uma visão sem precedentes do material muito próximo do buraco negro central da galáxia, que tem uma massa 30 milhões de vezes superior à do Sol. O XRISM captou a distribuição da matéria que circula e que eventualmente cai no buraco negro ao longo de um raio alargado, que vai de 0,001 a 0,1 anos-luz, ou seja, desde uma distância comparável à separação Sol-Úrano até 100 vezes essa distância.

Ao determinar os movimentos dos átomos de ferro a partir da sua assinatura de raios X, os cientistas mapearam uma sequência de estruturas em torno do buraco negro gigante: desde o disco que "alimenta" o buraco negro até ao toro em forma de rosquinha. 

Embora as observações de rádio e no infravermelho tenham revelado a presença de um toro em forma de rosquinha em volta de buracos negros em outras galáxias, a técnica espectroscópica do XRISM é a primeira, e atualmente a única, forma de descobrir como o gás perto do buraco negro central é formado e se move. 

As observações feitas com o XRISM complementarão as do telescópio de raios X XMM-Newton da ESA e constituirão uma excelente base para as observações planejadas com a futura missão de grande porte NewAthena da ESA. Esta última está sendo concebida para exceder significativamente o desempenho científico dos atuais observatórios de raios X espectroscópicos e de levantamento.

Fonte: Japan Aerospace Exploration Agency