A matéria escura na formação de buracos negros no início do Universo

A formação dos buracos negros supermassivos, como o que se encontra no centro da nossa Galáxia, a Via Láctea, é muito demorada.

© EHT (imagem polarizada do buraco negro Sagitário A*)

Normalmente, o nascimento de um buraco negro requer que uma estrela gigante com a massa de pelo menos algumas vezes a do Sol esgote o seu combustível nuclear; um processo que pode demorar bilhões de anos, e que o seu núcleo colapse sobre si próprio.

Mesmo assim, o buraco negro resultante está muito longe do buraco negro com 4 milhões de massas solares, Sagitário A*, situado no centro da Via Láctea, ou dos buracos negros supermassivos com bilhões de massas solares encontrados em outras galáxias. Estes buracos negros gigantescos podem formar-se a partir de buracos negros menores, por acreção de gás e estrelas e por fusão com outros buracos negros, o que demora bilhões de anos. 

Por que razão, então, o telescópio espacial James Webb está descobrindo buracos negros supermassivos perto do início dos tempos, antes de se poderem formar? Os astrofísicos da UCLA (University of California Los Angeles) têm uma resposta tão misteriosa como os próprios buracos negros: a matéria escura impediu que o hidrogênio arrefecesse o tempo suficiente para que a gravidade o condensasse em nuvens suficientemente grandes e densas para se transformarem em buracos negros em vez de estrelas. 

Alguns astrofísicos têm postulado que uma grande nuvem de gás pode colapsar para formar diretamente um buraco negro supermassivo, contornando a longa história de combustão estelar, acreção e fusões. Mas há um senão: a gravidade vai, de fato, juntar uma grande nuvem de gás, mas não numa única nuvem. Em vez disso, junta seções de gás em pequenos halos que flutuam perto uns dos outros, mas não formam um buraco negro. A razão é que a nuvem de gás arrefece demasiado depressa. Enquanto o gás estiver quente, a sua pressão pode contrariar a gravidade. No entanto, se o gás arrefecer, a pressão diminui e a gravidade pode triunfar em muitas pequenas regiões, que colapsam em objetos densos antes da gravidade ter a oportunidade de puxar toda a nuvem para um único buraco negro.

A rapidez com que o gás arrefece tem muito a ver com a quantidade de hidrogênio molecular. Os átomos de hidrogênio ligados entre si numa molécula dissipam energia quando encontram um átomo de hidrogênio livre. As moléculas de hidrogênio tornam-se agentes de arrefecimento ao absorverem energia térmica e ao irradiá-la. As nuvens de hidrogênio no início do Universo tinham demasiado hidrogênio molecular e o gás arrefeceu rapidamente, formando pequenos halos em vez de grandes nuvens. 

Apenas uma ínfima parte da matéria do Universo é do tipo que compõe os nossos corpos, o nosso planeta, as estrelas e tudo o mais que podemos observar. A grande maioria da matéria, detectada pelos seus efeitos gravitacionais em objetos estelares e pela curvatura da luz de fontes distantes, é feita de algumas partículas novas. As formas e propriedades da matéria escura são, portanto, um mistério que continua por resolver. Embora não saibamos o que é a matéria escura, os teóricos de partículas há muito que especulam que pode conter partículas instáveis que podem decair em fótons, as partículas de luz. A inclusão desta matéria escura em simulações forneceu a radiação necessária para que o gás permanecesse numa grande nuvem enquanto colapsava num buraco negro.

A matéria escura pode ser feita de partículas que decaem lentamente, ou pode ser feita de mais do que uma espécie de partícula: algumas estáveis e outras que decaem em momentos precoces. Em qualquer dos casos, o produto do decaimento pode ser radiação sob a forma de fótons, que quebram o hidrogênio molecular e evitam que as nuvens de hidrogênio arrefeçam demasiado depressa. Mesmo um decaimento muito ligeiro da matéria escura produziu radiação suficiente para impedir o arrefecimento, formando grandes nuvens e, eventualmente, buracos negros supermassivos.

Um artigo foi publicado no periódico Physical Review Letters. 

Fonte: University of California

O modelo do Universo está correto?

Sabemos muitas coisas sobre o nosso Universo, mas os astrônomos continuam debatendo a velocidade exata a que se expande.

© Webb (NGC 3972)

Realmente, ao longo das últimas duas décadas, duas das principais formas de medir este valor, conhecido como a "constante de Hubble", forneceram respostas diferentes, levando alguns a pensar que faltava alguma coisa no nosso modelo de funcionamento do Universo. Mas novas medições efetuadas pelo potente telescópio espacial James Webb parecem sugerir que, afinal, pode não haver um conflito, também conhecido por "tensão de Hubble". 

Os astrônomos mediram a distância de dez galáxias próximas e determinaram um novo valor para o ritmo a que o Universo está se expandindo atualmente. A medição, 70 quilômetros por segundo por megaparsec, sobrepõe-se ao outro grande método para a constante de Hubble. "Com base nestes novos dados do JWST e usando três métodos independentes, não encontramos fortes indícios de uma tensão de Hubble. Pelo contrário, parece que o nosso modelo cosmológico padrão para explicar a evolução do Universo está se mantendo", disse a cosmóloga Wendy Freedman, da Universidade de Chicago. 

Sabemos que o Universo está se expandindo ao longo do tempo desde 1929, quando Edwin Hubble fez medições de estrelas que indicavam que as galáxias mais distantes estavam se afastando da Terra mais depressa do que as galáxias mais próximas. Mas tem sido surpreendentemente difícil determinar o valor exato desta velocidade a que o Universo está se expandindo atualmente. 

A constante de Hubble, é essencial para compreender a história do Universo. É uma parte fundamental do nosso modelo de como o Universo está evoluindo ao longo do tempo. Dada a importância e também a dificuldade em efetuar estas medições, os cientistas testam-nas com diferentes métodos para se certificarem de que são tão exatas quanto possível. Uma das principais abordagens consiste em estudar a luz remanescente do Big Bang, conhecida como radiação cósmica de fundo em micro-ondas. A melhor estimativa atual da constante de Hubble com este método, que é muito preciso, é de 67,4 quilômetros por segundo por megaparsec. 

O segundo método principal consiste em medir diretamente a expansão das galáxias na nossa vizinhança cósmica local, utilizando estrelas cujo brilho é conhecido. Tal como as luzes dos carros parecem mais fracas quando estão longe, a distâncias cada vez maiores, as estrelas parecem cada vez mais fracas. A medição das distâncias e da velocidade a que as galáxias se afastam de nós indica-nos então a velocidade a que o Universo está se expandindo. 

No passado, as medições com este método forneceram um valor mais elevado para a constante de Hubble, perto de 74 quilômetros por segundo por megaparsec. Esta diferença é suficientemente grande para que alguns cientistas especulem que algo significativo pode estar faltando no modelo padrão da evolução do Universo. Por exemplo, uma vez que um método olha para os primórdios do Universo e o outro olha para a época atual, talvez algo grande tenha mudado no Universo ao longo do tempo. Este aparente desfasamento ficou conhecido como a "tensão de Hubble". 

O telescópio espacial James Webb oferece à humanidade uma nova e poderosa ferramenta para observar as profundezas do espaço. Lançado em 2021, o sucessor do telescópio espacial Hubble tem captado imagens de uma nitidez impressionante, revelado novos aspectos de mundos longínquos e recolhido dados sem precedentes, abrindo novas janelas para o Universo.

Para verificar os resultados, os astrônomos utilizaram três métodos independentes. O primeiro utiliza um tipo de estrela conhecido como estrela variável Cefeida, que varia previsivelmente o seu brilho ao longo do tempo. O segundo método é conhecido como "Ponta do Ramo das Gigantes Vermelhas" e utiliza o fato das estrelas de baixa massa atingirem um limite superior fixo para o seu brilho. O terceiro, e mais recente, emprega um tipo de estrela chamado estrelas de carbono, que têm cores e brilhos consistentes no espectro de luz do infravermelho próximo. 

A nova análise é a primeira a usar os três métodos simultaneamente, dentro das mesmas galáxias. Em todos os casos, os valores estavam dentro da margem de erro do valor dado pelo método da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, ou seja, 67,4 quilômetros por segundo por megaparsec. 

As futuras observações com o telescópio espacial James Webb serão fundamentais para confirmar ou refutar a tensão de Hubble e avaliar as implicações para a cosmologia.

Um artigo foi submetido no periódico Astrophysical Journal.

Fonte: University of Chicago

As galáxias em formação ativa no Universo primitivo

Pesquisadores, analisando dados do telescópio espacial James Webb da NASA, identificaram três galáxias que poderão estar se formando ativamente quando o Universo tinha apenas 400 a 600 milhões de anos.

© STScI (ilustração de uma galáxia em formação)

Os dados do Webb mostram que estas galáxias estão rodeadas de gás que podem ser  quase exclusivamente constituído de hidrogênio e hélio, os primeiros elementos a existir no cosmos. 

Os instrumentos do Webb são tão sensíveis que foram capazes de detectar uma quantidade incomum de gás denso em torno destas galáxias. Este gás acabará provavelmente por alimentar a formação de novas estrelas nas galáxias.

Nesta fase da história do Universo, as galáxias estão todas intimamente ligadas ao meio intergaláctico, com os seus filamentos e estruturas de gás pristino. Nas imagens do Webb, as galáxias parecem manchas vermelhas tênues, razão pela qual os dados adicionais, conhecidos como espectros, foram fundamentais para as conclusões dos astrônomos. Estes espectros mostram que a luz destas galáxias está sendo absorvida por grandes quantidades de gás hidrogênio neutro.  Este gás irá arrefecer, aglomerar-se e formar novas estrelas. 

O Universo era um lugar muito diferente várias centenas de milhões de anos após o Big Bang, durante um período conhecido como a Era da Reionização. O gás entre as estrelas e as galáxias era em grande parte opaco. O gás em todo o Universo só se tornou totalmente transparente cerca de um bilhão de anos após o Big Bang. As estrelas das galáxias contribuíram para aquecer e ionizar o gás à sua volta, fazendo com que o gás acabasse por se tornar completamente transparente. 

Ao fazer corresponder os dados do Webb a modelos de formação estelar, os pesquisadores descobriram também que estas galáxias têm sobretudo populações de estrelas jovens. Há ainda muitas outras questões a resolver. Onde, especificamente, está o gás? Quanto é que está localizado perto dos centros das galáxias ou na sua periferia? O gás é puro ou já está povoado por elementos mais pesados? 

O próximo passo é construir grandes amostras estatísticas de galáxias e quantificar em pormenor a prevalência e a proeminência das suas características. As descobertas foram possíveis devido ao levantamento CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) do Webb, que inclui espectros de galáxias distantes do instrumento NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), e foi lançado imediatamente para apoiar descobertas como esta como parte do programa ERS (Early Release Science) do Webb.

Este trabalho foi publicado na revista Science.

Fonte: Space Telescope Science Institute

Um novo modelo refuta a matéria escura

O modelo teórico atual para a composição do Universo diz que este é feito de matéria normal, energia escura e matéria escura.

© NightCafeStudio (galáxias e planetas no Universo primitivo)

Um novo estudo da Universidade de Ottawa põe em causa este modelo. Em cosmologia, o termo "matéria escura" descreve tudo o que parece não interagir com a luz ou com o campo eletromagnético, ou que só pode ser explicado através da força gravitacional. Não a podemos ver, nem sabemos de que é feita, mas ajuda-nos a compreender como as galáxias, os planetas e as estrelas se comportam. 

Rajendra Gupta, professor de física na Faculdade de Ciências da Universidade de Ottawa, utilizou uma combinação das teorias das constantes de acoplamento covariantes e da "luz cansada" (o chamado modelo CCC+TL) para chegar a esta conclusão. Este modelo combina duas ideias: sobre a forma como as forças da natureza diminuem ao longo do tempo cósmico e sobre o fato de a luz perder energia quando viaja uma longa distância. 

Foi testado e demonstrou estar de acordo com várias observações, nomeadamente sobre a forma como as galáxias estão espalhadas e como a luz do Universo primitivo evoluiu. Esta descoberta teórica desafia a compreensão dominante do Universo, que sugere que cerca de 27% do mesmo é composto por matéria escura e menos de 5% por matéria comum, sendo o restante energia escura. 

"As descobertas deste estudo confirmam que o nosso trabalho anterior (um artigo científico denominado "JWST early Universe observations and ΛCDM cosmology") sobre a idade do Universo ser de 26,7 bilhões de anos permitiu-nos descobrir que o Universo não precisa de matéria escura para existir", explica Gupta. 

"Na cosmologia padrão, diz-se que a expansão acelerada do Universo é causada pela energia escura, mas na realidade deve-se ao enfraquecimento das forças da natureza à medida que se expande, e não à energia escura", indaga Gupta. 

 Os desvios para o vermelho referem-se a quando a luz é desviada para a parte vermelha do espetro. O pesquisador analisou dados recentes acerca da distribuição de galáxias a baixos desvios para o vermelho e do tamanho angular do "horizonte sonoro" na literatura com altos desvios para o vermelho. "Há vários trabalhos que questionam a existência da matéria escura, mas o meu é o primeiro, que eu saiba, que elimina a sua existência cosmológica ao mesmo tempo que é consistente com as observações cosmológicas fundamentais que tivemos tempo de confirmar", diz Gupta. 

Ao pôr em causa a necessidade de matéria escura no Universo e ao fornecer evidências para um novo modelo cosmológico, este estudo abre novas vias para a exploração das propriedades fundamentais do Universo.

Um artigo científico foi publicado no periódico The Astrophysical Journal. 

Fonte: University of Ottawa

Telescópios confirmam o ritmo de expansão do Universo

O ritmo a que o Universo está se expandindo, caracterizada pela constante de Hubble, é um dos parâmetros fundamentais para compreender a evolução e o destino final do cosmos.

© Hubble / Webb (NGC 5468)

Esta imagem da NGC 5468, uma galáxia situada a cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra, combina dados dos telescópios espaciais Hubble e James Webb. Esta é a galáxia mais distante em que o Hubble identificou estrelas variáveis Cefeidas.

Atualmente, 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. 

O telescópio espacial James Webb confirmou que o olhar perspicaz do telescópio espacial Hubble estava certo desde o início, eliminando qualquer dúvida remanescente sobre as medições do Hubble. 

Uma das justificativas científicas para a construção do Hubble foi a utilização do seu poder de observação para fornecer um valor exato para o ritmo de expansão do Universo. Antes do lançamento do Hubble, em 1990, as observações efetuadas por telescópios terrestres apresentavam incertezas enormes. Dependendo dos valores deduzidos para o ritmo de expansão, o Universo poderia ter entre 10 e 20 bilhões de anos. Nos últimos 34 anos, o Hubble reduziu esta medição para uma precisão inferior a um por cento, uma idade de 13,8 bilhões de anos. Isto foi conseguido através do refinamento da chamada "escada de distâncias cósmicas", medindo importantes pontos de referência conhecidos como estrelas variáveis Cefeidas. 

No entanto, o valor do Hubble não está de acordo com outras medições que mostram que o Universo estava se expandindo mais rapidamente após o Big Bang. Estas observações foram feitas pelo satélite Planck da ESA, que mapeou a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, sendo um plano de como o Universo evoluiria em termos de estrutura depois do arrefecimento pós-Big Bang. Com o Webb, permitiu aos astrônomos verificar os resultados do Hubble. As imagens infravermelhas das Cefeidas, pelo Webb, concordaram com os dados ópticos do Hubble. 

O resultado final é que a chamada Tensão de Hubble, entre o que acontece no Universo próximo e a expansão do Universo primitivo, continua sendo um enigma para os cosmólogos. Poderá haver algo entrelaçado no tecido do espaço que ainda não compreendemos. Será que para resolver esta discrepância é necessária uma nova física? Ou será o resultado de erros de medição entre os dois diferentes métodos utilizados para determinar o ritmo de expansão do espaço? 

O Hubble e o Webb juntaram-se agora para produzir medições definitivas, reforçando a ideia de que algo mais, e não erros de medição, está influenciando o ritmo de expansão. Como verificação cruzada, uma primeira observação do Webb em 2023 confirmou que as medições do Hubble acerca da expansão do Universo eram exatas. No entanto, na esperança de aliviar a Tensão de Hubble, alguns cientistas especularam que erros invisíveis nas medições podem aumentar e tornar-se visíveis à medida que olhamos mais profundamente para o Universo.

Em particular, a aglomeração estelar poderia afetar de forma sistemática as medições do brilho de estrelas mais distantes. A equipe do levantamento SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy), liderada por Adam Riess, físico da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, EUA, obteve observações adicionais com o Webb de objetos que são marcos cósmicos críticos, conhecidos como estrelas variáveis Cefeidas, que podem agora ser correlacionados com os dados do Hubble. 

Os astrônomos utilizam vários métodos para medir as distâncias relativas no Universo, dependendo do objeto que está sendo observado. Coletivamente, estas técnicas são conhecidas como a escada de distâncias cósmicas; cada degrau ou técnica de medição depende do degrau anterior para ser calibrado. Mas alguns astrônomos sugeriram que, avançando ao longo do "segundo degrau", a escada de distâncias cósmicas poderia ficar instável se as medições das Cefeidas se tornassem menos precisas com a distância. Tais imprecisões podem ocorrer porque a luz de uma Cefeida se pode misturar com a de uma estrela adjacente, um efeito que se pode tornar mais pronunciado com a distância, à medida que as estrelas se aglomeram no céu e se tornam mais difíceis de distinguir umas das outras.

O desafio observacional é o fato das imagens anteriores do Hubble, destas variáveis Cefeidas mais distantes, parecerem mais amontoadas e sobrepostas com estrelas vizinhas a distâncias cada vez maiores entre nós e as suas galáxias hospedeiras, exigindo uma contabilização cuidadosa deste efeito. A existência de poeira interveniente complica ainda mais a certeza das medições no visível. O Webb atravessa a poeira e isola naturalmente as Cefeidas das estrelas vizinhas porque a sua visão é mais nítida do que a do Hubble nos comprimentos de onda infravermelhos.

As novas observações do Webb incluem cinco galáxias hospedeiras de oito supernovas do Tipo Ia, contendo um total de 1.000 Cefeidas, e vão até à galáxia mais distante onde as Cefeidas foram bem medidas, a NGC 5468, a uma distância de 130 milhões de anos-luz.

Em conjunto, a confirmação da Tensão de Hubble pelo Hubble e pelo Webb permite que outros observatórios resolvam o mistério, incluindo o futuro telescópio espacial Nancy Grace Roman da NASA e a missão Euclid recentemente lançada pela ESA. Atualmente, é como se a escada de distâncias observada pelo Hubble e pelo Webb tivesse fixado firmemente um ponto de ancoragem numa das margens de um rio, e o brilho remanescente do Big Bang observado pelo Planck no início do Universo estivesse fixado firmemente na outra margem. A forma como a expansão do Universo se alterou nos bilhões de anos entre estes dois pontos ainda não foi diretamente observada. 

"Precisamos de descobrir se nos está escapando alguma coisa sobre como ligar o início do Universo aos dias de hoje", disse Riess. 

Estas descobertas foram publicadas no periódico The Astrophysical Journal Letters. 

Fonte: ESA

A maior galáxia conhecida no início do Universo

Os astrônomos estão atualmente desfrutando de um período frutífero de descobertas, investigando os muitos mistérios do Universo primitivo.

© Webb (galáxia Gz9p3)

A imagem à esquerda mostra um núcleo duplo na região central e a imagem à direita evidencia os contornos do perfil de luz que revelam uma estrutura alongada produzida pela fusão de duas galáxias. 

O lançamento bem-sucedido do telescópio espacial James Webb alargou os limites do que podemos ver. As observações estão agora entrando nos primeiros 500 milhões de anos após o Big Bang, quando o Universo tinha menos de cinco por cento da sua idade atual.

No entanto, as galáxias que estão sendo observadas não são certamente infantis, com novas observações que revelam galáxias mais massivas e maduras do que o anteriormente esperado para tempos tão precoces, ajudando a reescrever a compreensão da formação e evolução galáctica. 

Pesquisadores, da qual fazem parte astrônomos da Universidade de Melbourne, fez recentemente observações detalhadas e sem precedentes de uma das mais antigas galáxias conhecidas, designada Gz9p3. O seu nome deriva da colaboração GLASS e do fato de a galáxia se encontrar a um desvio para o vermelho de z=9,3, sendo o desvio para o vermelho uma forma de descrever a distância a um objeto. 

Há apenas alguns anos, a Gz9p3 aparecia como um único ponto de luz através do telescópio espacial Hubble. Mas, utilizando o telescópio espacial James Webb (JWST), podemos observar este objeto tal como era 510 milhões de anos após o Big Bang, há cerca de 13 bilhões de anos.

Os astrônomos descobriram que Gz9p3 era muito mais massiva e madura do que o esperado para um Universo tão jovem, contendo já vários bilhões de estrelas. De longe o objeto mais massivo confirmado desta época, calculou-se que é 10 vezes mais massiva do que qualquer outra galáxia encontrada tão cedo no Universo. Combinados, estes resultados sugerem que, para a galáxia atingir esta dimensão, as estrelas devem ter-se desenvolvido muito mais depressa e eficazmente do que se pensava. Não só é Gz9p3 massiva, como a sua forma complexa a identifica imediatamente como uma das mais antigas fusões de galáxias alguma vez observadas. 

A imagem da galáxia obtida pelo JWST mostra uma morfologia tipicamente associada a duas galáxias em interação. E a fusão também não terminou porque ainda vemos dois componentes. Quando dois objetos massivos se juntam desta forma, atiram fora alguma da sua matéria no processo. Assim, esta matéria descartada sugere que o que observaram é uma das fusões mais distantes jamais vistas. 

O seu estudo observou mais profundamente, para descrever a população de estrelas que compõe as galáxias em fusão. Usando o JWST, foi possível examinar o espetro da galáxia, dividindo a luz da mesma forma que um prisma divide a luz branca num arco-íris. Quando se utiliza apenas imagens, a maioria dos estudos destes objetos muito distantes mostra apenas estrelas muito jovens, porque as estrelas mais jovens são mais brilhantes e, por isso, a sua luz domina os dados de imagem. Por exemplo, uma população jovem e brilhante, que surgiu da fusão de galáxias com menos de alguns milhões de anos, ofusca uma população mais velha, com mais de 100 milhões de anos. 

Utilizando a técnica de espetroscopia, os cientistas podem produzir observações tão pormenorizadas que as duas populações podem ser distinguidas. Não se previa uma população tão madura, tendo em conta o quão cedo as estrelas se teriam formado para terem envelhecido o suficiente neste momento cósmico. A espetroscopia é tão detalhada que podemos ver as características sutis das estrelas antigas que mostram que há mais do que se pensa. 

Elementos específicos detectados no espetro (incluindo silício, carbono e ferro) revelam que esta população mais velha deve existir para enriquecer a galáxia com uma abundância de elementos químicos. Não é apenas o tamanho das galáxias que é surpreendente, mas também a velocidade com que cresceram até um estado quimicamente maduro. Estas observações fornecem evidências de uma acumulação rápida e eficiente de estrelas e metais no período imediatamente a seguir ao Big Bang, associada a fusões de galáxias em curso, demonstrando que galáxias massivas com vários bilhões de estrelas existiram mais cedo do que o esperado. 

As galáxias isoladas constroem a sua população estelar localizada a partir dos seus reservatórios finitos de gás. No entanto, esta pode ser uma forma lenta das galáxias crescerem. As interações entre galáxias podem atrair novos fluxos de gás puro, fornecendo combustível para a rápida formação estelar, e as fusões proporcionam um canal ainda mais acelerado para a acumulação e crescimento de massa. As maiores galáxias do nosso Universo moderno têm todas um aspecto de fusões, incluindo a nossa Via Láctea, que atingiu o seu tamanho atual através de sucessivas fusões com galáxias menores. 

Estas observações de Gz9p3 mostram que as galáxias foram capazes de acumular massa rapidamente no Universo primitivo através de fusões, com taxas de formação estelar superiores às esperadas. As observações de Gz9p3 pelo JWST, e também de outras galáxias, estão levando os astrofísicos a ajustar os seus modelos dos primeiros anos do Universo. A sua cosmologia não está necessariamente errada, mas a compreensão da rapidez com que as galáxias se formaram provavelmente está, porque são mais massivas do que alguma vez pensaram ser possível. 

Estes novos resultados chegam num momento oportuno, quando nos aproximamos da marca dos dois anos de observações científicas efetuadas com o JWST. À medida que o número total de galáxias observadas aumenta, os astrônomos que estudam o Universo primitivo estão fazendo a transição da fase de descoberta para um período em que dispõem de amostras suficientemente grandes para começar a construir e a aperfeiçoar novos modelos. Nunca houve uma época tão excitante para dar sentido aos mistérios do Universo primitivo.

Um artigo foi publicado na revista Nature Astronomy. 

Fonte: University of Melbourne

"Pesando" um buraco negro no Universo primordial

Com o atualizado instrumento GRAVITY do VLTI (Very Large Telescope Interferometer) do ESO, uma equipe de astrônomos liderada pelo Instituto Max Planck de Física Extraterrestre determinou a massa de um buraco negro numa galáxia apenas 2 bilhões de anos após o Big Bang.

© Cosmonovas (ilustração de um buraco negro)

Com 300 milhões de massas solares, o buraco negro é pouco massivo em comparação com a massa da sua galáxia hospedeira. 

No Universo mais local, os astrônomos observaram relações íntimas entre as propriedades das galáxias e a massa dos buracos negros supermassivos que residem nos seus centros, sugerindo que as galáxias e os buracos negros coevoluem. Um teste crucial seria sondar esta relação nos primeiros tempos do cosmos, mas para estas galáxias longínquas os tradicionais métodos diretos de medição da massa do buraco negro são impossíveis ou extremamente difíceis. 

Apesar destas galáxias brilharem frequentemente com muita intensidade, denominadas quasares quando descobertas na década de 1950, estão tão distantes que não podem ser detectadas pela maioria dos telescópios.

Em 2018, foram efetuadas as primeiras medições inovadoras da massa de um buraco negro de um quasar com o GRAVITY. No entanto, este quasar estava muito próximo. Agora, foi atingido um desvio para o vermelho de 2,3, o que corresponde a observar 11 bilhões de anos para trás no tempo. O GRAVITY+ abre agora um caminho novo e preciso para estudar o crescimento dos buracos negros nesta época crítica, frequentemente designada por "meio-dia cósmico", quando tanto os buracos negros como as galáxias estavam crescendo rapidamente. 

Atulamente é possível obter imagens de buracos negros no Universo inicial, 40 vezes mais nítidas do que é obtido com o telescópio espacial James Webb. O GRAVITY combina interferometricamente os quatro telescópios de 8 metros do VLT do ESO, criando essencialmente um telescópio virtual gigante com um diâmetro de 130 metros. 

A equipa foi capaz de resolver espacialmente o movimento das nuvens de gás em torno do buraco negro central da galáxia SDSS J092034.17+065718.0, à medida que giram num disco espesso. Isto permite uma medição direta da massa do buraco negro. Com 320 milhões de massas solares, a massa do buraco negro é inferior à da galáxia que o acolhe, que tem uma massa de cerca de 600 bilhões de massas solares. Este fato sugere que a galáxia hospedeira cresceu mais depressa do que o buraco negro supermassivo, indicando, em alguns sistemas, um atraso entre o crescimento da galáxia e o do buraco negro.

O cenário provável para a evolução desta galáxia parece ser uma forte atividade de supernova, no qual estas explosões estelares expulsam o gás das regiões centrais antes que este possa atingir o buraco negro no centro galáctico. O buraco negro só pode começar a crescer rapidamente e a acompanhar o crescimento global da galáxia quando a galáxia se tiver tornado suficientemente massiva para reter um reservatório de gás nas suas regiões centrais, mesmo contra a atividade de supernova.

Para determinar se este cenário é também o modo dominante da coevolução de outras galáxias e dos seus buracos negros centrais, a equipe vai fazer um acompanhamento com mais medições altamente precisas da massa de buracos negros no Universo primitivo.

Um artigo foi publicado na revista Nature. 

Fonte: Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics

Uma imagem de raios X de metade do Universo

A astronomia de raios X tem uma história movimentada de 60 anos de exploração dos extremos do Universo: desde estrelas em explosão até núcleos galácticos ativos, que, com os seus buracos negros supermassivos, são indiscutivelmente as fontes de energia mais eficientes do cosmo.

© MPE (Catálogo eRosita All-Sky Survey)

A seção do céu do Catálogo eRosita All-Sky Survey (eRASS1) em duas representações diferentes. A imagem da esquerda mostra a emissão estendida de raios X, enquanto a imagem da direita mostra fontes pontuais de raios X.

Embora a maioria dos telescópios de raios X tenham sido construídos para observar estes fenômenos mais de perto, o eROSITA tem uma visão mais ampla. O eROSITA está a bordo do satélite Spektrum-RG. Estas incluem as maiores estruturas do Universo, filamentos de gás quente que ligam poderosos aglomerados de galáxias e podem conter as respostas às maiores questões: como é que o Universo evoluiu e porque está se expandindo? 

As observações do primeiro Catálogo eRosita All-Sky Survey (eRASS1) com o telescópio eROSITA foram realizadas de 12 de dezembro de 2019 a 11 de junho de 2020, onde os dados cobrem metade de todo o céu. Na faixa de energia mais sensível dos detectores eROSITA (0,2-2 keV), o telescópio detectou 170 milhões de fótons de raios X, um número recorde. Na astronomia de raios X, é possível medir partículas individuais de luz (fótons) com suas respectivas energias no espectro de raios X e seu tempo de chegada no detector. 

O catálogo foi então construído, após cuidadoso processamento e calibração, detectando concentrações de fótons no céu contra um fundo difuso, brilhante e em grande escala. Depois do eRASS1, o eRosita continuou a varrer o céu e acumulou vários levantamentos adicionais de todo o céu. Estes dados também serão divulgados ao mundo nos próximos anos.  As 900.000 fontes incluem cerca de 710.000 buracos negros supermassivos em galáxias distantes (núcleos galácticos ativos), 180.000 estrelas emissoras de raios X na Via Láctea, 12.000 aglomerados de galáxias, além de um pequeno número de outras classes exóticas de fontes de emissão de raios X, tais como: estrelas binárias, remanescentes de supernovas, pulsares e outros objetos. Com o eROSITA durante 6 meses foram detectadas mais fontes do que as grandes missões emblemáticas XMM-Newton e Chandra fizeram em quase 25 anos de operação.

Juntamente com os dados, o consórcio está publicando uma série de artigos científicos sobre novas descobertas que vão desde estudos de habitabilidade planetária até à descoberta das maiores estruturas cósmicas. Nos primeiros seis meses de observação, a eROSITA já descobriu mais fontes de raios X do que se conhecia nos 60 anos de história da astronomia de raios X. Os dados estão disponíveis para a comunidade científica global. 

A maioria dos novos artigos aparecem recentemente com descobertas selecionadas, incluindo: mais de 1.000 superaglomerados de galáxias, o filamento gigante de gás quente e puro que se estende entre dois aglomerados de galáxias e dois novos buracos negros com “erupção quase periódica”. Estudos adicionais sobre como a irradiação de raios X de uma estrela pode afetar a atmosfera e a retenção de água dos planetas em órbita, e análises estatísticas de buracos negros supermassivos tremeluzentes. 

Este primeiro lançamento de dados torna público não apenas o catálogo de fontes, mas também imagens do céu de raios X em múltiplas energias de raios X e até mesmo listas de fótons individuais com suas posições no céu, energias e tempos de chegada precisos. O software necessário para analisar os dados do eROSITA também está incluído no lançamento. Para muitas classes de fontes, dados suplementares de outras bandas de ondas também foram incorporados nos chamados catálogos de “valor agregado” que vão além da pura informação de raios X. 

Os resultados da cosmologia, baseados numa análise aprofundada dos aglomerados de galáxias, serão divulgados em aproximadamente duas semanas. Esta iniciativa propiciará a expansão das fronteiras da astronomia de raios X.

Fonte: Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics

Supernovas revelam detalhes sobre a expansão do Universo

Em 1998, os astrofísicos descobriram que o Universo está se expandindo a um ritmo acelerado, atribuído a uma entidade misteriosa chamada energia escura, que constitui cerca de 70% do cosmo.

© Cosmonovas (ilustração de uma supernova)

Embora prenunciada por medições anteriores, a descoberta foi uma surpresa; na época, os astrofísicos concordavam que a expansão do Universo deveria estar desacelerando por causa da gravidade. Esta descoberta revolucionária, que os astrofísicos alcançaram com observações de tipos específicos de estrelas em explosão, chamadas supernovas do tipo Ia foi reconhecida com o Prêmio Nobel da Física em 2011. 

Agora, 25 anos após a descoberta inicial, os cientistas que trabalham no Dark Energy Survey (DES) divulgaram os resultados de uma análise sem precedentes usando a mesma técnica para investigar ainda mais os mistérios da energia escura e da expansão do Universo. 

Foram colocadas restrições mais fortes à expansão do Universo já obtidas com o levantamento de supernovas do DES. Em uma apresentação na 243ª reunião da Sociedade Astronômica Americana em 8 de janeiro, os astrofísicos do DES relataram resultados que são consistentes com o modelo cosmológico padrão de um Universo em expansão acelerada. No entanto, as descobertas não são definitivas o suficiente para descartar um modelo possivelmente mais complexo. 

O DES mapeou uma área de quase um oitavo de todo o céu usando a Dark Energy Camera, uma câmera digital de 570 megapixels construída pelo Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Foi montado no Telescópio Víctor M. Blanco no Observatório Interamericano Cerro Tololo, um programa do National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (NOIRLab), em 2012. 

Os cientistas do DES recolheram dados de 758 noites ao longo de seis anos. Para compreender a natureza da energia escura e medir a taxa de expansão do Universo, efetuando análises com quatro técnicas diferentes, incluindo a técnica de supernova usada em 1998. Esta técnica requer dados de supernovas do tipo Ia, que ocorrem quando uma estrela morta extremamente densa, conhecida como anã branca, atinge uma massa crítica e explode. 

Como a massa crítica é quase a mesma para todas as anãs brancas, todas as supernovas do tipo Ia têm aproximadamente o mesmo brilho real e quaisquer variações restantes podem ser calibradas. Assim, quando os astrofísicos comparam o brilho aparente de duas supernovas do tipo Ia vistas da Terra, podem determinar as suas distâncias relativas de nós. Os astrofísicos traçam a história da expansão cósmica com grandes amostras de supernovas abrangendo uma ampla gama de distâncias. Para cada supernova, combinam a sua distância com uma medição do seu desvio para o vermelho, ou seja, a rapidez com que se afasta da Terra devido à expansão do Universo. Este histórico é usado para determinar se a densidade da energia escura permaneceu constante ou mudou ao longo do tempo. À medida que o Universo se expande, a densidade da matéria diminui. Mas se a densidade da energia escura for constante, isso significa que a proporção total de energia escura deve aumentar à medida que o volume aumenta.

O modelo cosmológico padrão é o ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), um modelo baseado na densidade da energia escura sendo constante ao longo do tempo cósmico. Diz-nos como o Universo evolui, usando apenas algumas características, como a densidade da matéria, o tipo de matéria e o comportamento da energia escura. 

O método da supernova restringe muito bem duas dessas características: a densidade da matéria e uma quantidade chamada w, que indica se a densidade da energia escura é constante ou não. De acordo com o modelo cosmológico padrão, a densidade da energia escura no Universo é constante, o que significa que ela não se dilui à medida que o Universo se expande. Se isso for verdade, o parâmetro representado pela letra w deverá ser igual a –1.

Os resultados encontraram w = –0,80 +/- 0,18 usando apenas supernovas. Combinado com dados complementares do telescópio Planck da ESA (Agência Espacial Europeia), onde w atinge –1 dentro da margem de erro. 

Esta análise final de supernovas do DES trouxe muitas melhorias em relação ao primeiro resultado de supernova do DES, lançado em 2018, que utilizou apenas 207 supernovas e três anos de dados. Para a análise de 2018, os cientistas do DES combinaram dados sobre o espectro de cada supernova para determinar os seus desvios para o vermelho e classificá-las como tipo Ia ou não. Eles então usaram imagens tiradas com diferentes filtros para identificar o fluxo no pico da curva de luz, um método chamado fotometria. Mas os espectros são difíceis de adquirir, exigindo muito tempo de observação nos maiores telescópios, o que será impraticável para futuras pesquisas de energia escura, como o Legacy Survey of Space and Time, LSST, a ser conduzido no Observatório Vera C. Rubin. 

A espectroscopia de acompanhamento da galáxia hospedeira com o telescópio Anglo-Australiano forneceu desvios para o vermelho precisos para cada supernova. A utilização de filtros adicionais também permitiu obter dados mais precisos do que os levantamentos anteriores e representa um grande avanço em comparação com as amostras de supernovas anteriores, que utilizaram apenas um ou dois filtros. 

Os pesquisadores do DES usaram técnicas avançadas de aprendizado de máquina para auxiliar na classificação de supernovas. Entre os dados de cerca de dois milhões de galáxias distantes observadas, o DES encontrou vários milhares de supernovas. No final das contas, os cientistas usaram 1.499 supernovas do tipo Ia com dados de alta qualidade, tornando-a a maior e mais profunda amostra de supernovas já compilada por um único telescópio. Em 1998, os astrônomos utilizaram apenas 52 supernovas para determinar que o Universo  está se expandindo a um ritmo acelerado. 

Existem pequenas desvantagens da nova abordagem fotométrica em comparação com a espectroscopia: como as supernovas não possuem espectros, há maior incerteza na classificação. No entanto, o tamanho da amostra muito maior possibilitado pela abordagem fotométrica compensa a pesquisa. As técnicas inovadoras em que o DES foi pioneiro irão moldar e impulsionar futuras análises astrofísicas. Projetos como o LSST de Rubin e o telescópio espacial Nancy Grace Roman da NASA continuarão de onde o DES parou.

Mesmo com experiências mais avançadas sobre energia escura, os cientistas do DES enfatizaram a importância de ter modelos teóricos para explicar a energia escura, além das suas observações experimentais. Os cientistas do DES continuam a usar os resultados das supernovas em mais análises, integrando-os com os resultados obtidos com outras técnicas do DES. 

Um modelo mais complexo pode ser necessário. A energia escura pode de fato variar com o tempo. Para chegar a uma conclusão definitiva, os cientistas precisarão de mais dados. A energia escura ainda está por aí para ser descoberta.

O Dark Energy Survey é uma colaboração internacional que compreende mais de 400 astrofísicos, astrônomos e cosmólogos de mais de 25 instituições, inclusive do Brasil, lideradas por membros do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi do Departamento de Energia dos EUA. 

Um artigo foi submetido ao periódico Astrophysical Journal. 

Fonte: Fermi National Accelerator Laboratory

Buracos negros massivos dominam pequenas galáxias no Universo distante

Os astrônomos descobriram que os buracos negros supermassivos nos centros das primeiras galáxias são muito mais massivos do que o esperado.

© CfA / M. Weiss (buraco negro no interior de uma galáxia)

Na ilustração, um buraco negro (centro) está contido numa pequena galáxia hospedeira no Universo distante (esquerda). No Universo próximo (à direita), o buraco negro do mesmo tamanho estaria hospedado numa galáxia muito maior.

Estes buracos negros surpreendentemente robustos oferecem novas informações sobre as origens de todos os buracos negros supermassivos, bem como sobre os estágios iniciais da vida da sua galáxia hospedeira. 

Em galáxias próximas e maduras como a Via Láctea, a massa total das estrelas supera largamente a massa do grande buraco negro encontrado no centro da galáxia em cerca de 1.000 para 1. Nas galáxias distantes recém-descobertas, no entanto, essa diferença de massa cai para 100 ou 10 para 1, e até 1 para 1, o que significa que o buraco negro pode igualar a massa combinada das estrelas de sua galáxia hospedeira. 

Esta imagem de buracos negros inesperadamente massivos em galáxias emergentes foi obtida pelo telescópio espacial James Webb (JWST), o mais recente observatório emblemático da NASA. Até o JWST, lançado no final de 2021, os astrônomos eram geralmente limitados nos seus estudos de buracos negros distantes a quasares estupendamente brilhantes, compostos por buracos negros monstruosos devoradores de matéria que ofuscavam completamente as estrelas nas suas galáxias hospedeiras. Com o JWST, podemos agora finalmente observar buracos negros de menor massa, mas ainda assim supermassivos, em galáxias pequenas e distantes, e também podemos ver as estrelas nestas galáxias hospedeiras.  

Aprendemos que galáxias jovens e distantes violam a relação entre a massa dos buracos negros e a massa estelar, que está muito bem estabelecida em galáxias próximas e maduras: estes buracos negros primitivos são, sem dúvida, demasiado massivos em relação à população estelar dos seus hospedeiros. Com o JWST, será possível identificar com precisão como se formaram os primeiros buracos negros supermassivos.

Para o estudo, foram realizadas uma análise estatística de um conjunto de 21 galáxias, variando entre 12 e 13 bilhões de anos-luz de distância, e observadas através de três pesquisas publicadas. Estas 21 galáxias abrigam buracos negros centrais com massas típicas estimadas em dezenas ou centenas de milhões de vezes a do nosso Sol, ainda supermassivas, mas comparativamente insignificantes perto dos buracos negros que alimentam a maioria dos quasares distantes observados até hoje, que possuem bilhões de vezes a massa do Sol.

Com a prospecção de novas informações poderemos responder tais perguntas: Os buracos negros cresceram principalmente através da atração de gás ou através de fusões com outros buracos negros? E a massa estelar cresceu principalmente dentro da galáxia ou foram necessárias fusões com outras galáxias maiores?

O novo estudo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics

Alcyoneus é a maior galáxia conhecida do Universo

Alcyoneus é uma radiogaláxia Fanaroff-Riley classe II de baixa excitação localizada a 1,1 gigaparsecs (3,5 bilhões de anos-luz) de distância da Terra, correspondendo à galáxia SDSS J081421.68+522410.0.

© LOFAR (galáxia Alcyoneus)

Ela está localizada na constelação do Lince e foi descoberta por uma equipe de astrônomos liderada por Martijn Oei em dados do LOw-Frequency ARray (LOFAR), uma rede interferométrica composta por 20 mil antenas de rádio que são distribuídas por 52 locais diferentes pelo continente europeu. Alcyoneus tem a maior extensão de qualquer galáxia de rádio identificada, com estruturas lobadas medindo 5 megaparsecs (16,3 milhões de anos-luz) de diâmetro, sendo a maior estrutura conhecida de origem galáctica.

A título de comparação, a Via Láctea é uma galáxia espiral típica com um diâmetro aproximado de 100 mil anos-luz. O Sol é apenas uma dentre as 400 bilhões de estrelas que existem em seus limites. Para o Universo, esse é um sistema relativamente grande, pois a maioria das galáxias encontradas são menores que a Via Láctea e comumente possuem menos de 10% da sua quantidade de estrelas. A menor galáxia conhecida é chamada de Segue 2, possui apenas 110 anos-luz de diâmetro e conta com apenas cerca de 1.000 estrelas em seu interior. Isso é menor mesmo que alguns aglomerados globulares de estrelas que contêm alguns milhares de anos-luz de diâmetro e outras milhares de estrelas. A galáxia de Andrômeda, distante cerca de 2,5 milhões de anos-luz da Terra, possui 220 mil anos-luz de diâmetro, sendo mais que o dobro do tamanho da Via Láctea.

Em 2011, no centro do aglomerado de galáxias Abell 2029, foi descoberta uma galáxia simplesmente colossal: a IC 1101, uma galáxia elíptica supergigante distante 1 bilhão de anos-luz da Terra, com um diâmetro aproximado de 6 milhões de anos-luz. Estima-se que ela contenha cerca de 100 trilhões de estrelas.

Outra radiogaláxia gigante de tamanho semelhante é 3C 236, com lóbulos de 15 milhões de anos-luz de diâmetro. Além do tamanho de suas emissões de rádio, a galáxia central tem radioluminosidade comum, massa estelar e massa de buraco negro supermassivo.

Alcyoneus é uma galáxia autônoma com um diâmetro isofotal (região de mesmo brilho superficial na imagem da galáxia) de 25,0 r-mag/arcsec² de cerca de 242.700 anos-luz, com o aglomerado mais próximo localizado a 11 milhões de anos-luz de distância dele. 

A galáxia recebeu o nome do gigante Alcioneu da mitologia grega. O objeto foi observado pela primeira vez como uma estrutura de rádio brilhante de três componentes, visível em pelo menos quatro resoluções espaciais de 6, 20, 60 e 90 minutos de arco. Os dois componentes externos da estrutura de rádio são separados por uma distância semelhante à estrutura de rádio menor e alongada, significando sua natureza como possíveis lóbulos de rádio. Outras confirmações usando sobreposições radio-ópticas descartam a possibilidade de os dois serem lóbulos de rádio separados de galáxias diferentes e confirmam que foram produzidos pela mesma fonte. 

Alcyoneus foi descrita como uma radiogaláxia gigante, uma classe especial de objetos caracterizada pela presença de lóbulos de rádio gerados por jatos relativísticos alimentados pelo buraco negro supermassivo da galáxia central. As radiogaláxias gigantes são diferentes das radiogaláxias comuns porque podem se estender a escalas muito maiores, atingindo vários megaparsecs de diâmetro, muito maiores do que os diâmetros de suas galáxias hospedeiras. 

No caso de Alcyoneus, a galáxia hospedeira não hospeda um quasar e é relativamente curiosa, com imagens espectrais do 12º lançamento de dados do Sloan Digital Sky Survey (SDSS DR12) sugerindo uma taxa de formação de estrelas de apenas 0,016 massas solares (M☉) por ano. Isto a classifica como uma fonte de rádio de baixa excitação, com Alcyoneus obtendo a maior parte de sua energia devido ao processo relativístico do jato da galáxia central, em vez da radiação de seu núcleo galáctico ativo.

A galáxia hospedeira central de Alcyoneus tem uma massa estelar de 240 bilhões de massas solares (2,4×10¹¹ M☉), com seu buraco negro supermassivo central estimado em ter uma massa de 390±170 milhões M☉; características típicas de galáxias elípticas, mas com valores substancialmente mais baixos do que outras galáxias semelhantes que hospedam fontes de rádio gigantes.

Atualmente não se sabe como as emissões de rádio de Alcyoneus cresceram tanto. Algumas teorias foram propostas, incluindo um ambiente menos denso do que o habitual que a rodeia, o fato de existir dentro de um filamento da teia cósmica, um buraco negro supermassivo, uma extensa população estelar e poderosas correntes de jato.

Fonte: Cosmonovas