Um objeto raro e misterioso no espaço

Uma estrutura incomum de anéis duplos observada no espaço com a ajuda de cientistas cidadãos revelou-se uma raridade cósmica.

© LOFAR (galáxia RAD J122622.6+640622)

A anomalia celestial, captada pelo radiotelescópio Low-Frequency Array (LOFAR), é um círculo de rádio estranho, também conhecido como Odd Radio Circle (ORC), provavelmente consistem em plasma magnetizado, ou seja, gás carregado fortemente influenciado por campos magnéticos, e são tão massivos que galáxias inteiras residem em seus centros.

Estendendo-se por centenas de milhares de anos-luz, eles frequentemente atingem de 10 a 20 vezes o tamanho da nossa Via Láctea. Mas também são incrivelmente tênues e geralmente detectáveis apenas por meio do espectro de rádio.

O círculo de rádio ímpar recém-descoberto, denominado RAD J131346.9+500320, é o mais distante conhecido até o momento, localizado a 7,5 bilhões de anos-luz da Terra (um ano-luz é a distância que a luz percorre em um ano, cerca de 9,46 trilhões de quilômetros), e o primeiro descoberto por cientistas cidadãos. É também apenas o segundo círculo de rádio incomum possuindo dois anéis, que foram descobertos pela primeira vez há cerca de seis anos, mas as estruturas permanecem amplamente enigmáticas.

A RAD@home Astronomy Collaboratory é uma comunidade online aberta a qualquer pessoa com formação em ciência, onde astrônomos treinam os usuários para reconhecer padrões em trechos tênues e difusos de ondas de rádio e analisar imagens astronômicas.

O estranho círculo de rádio recém-descoberto apareceu em dados do LOFAR, composto por milhares de antenas na Holanda e em toda a Europa, formando um grande radiotelescópio. É a maior e mais sensível ferramenta que opera em baixas frequências. Embora os participantes do RAD@home Astronomy Collaboratory não tenham sido especificamente treinados para procurar círculos de rádio estranhos, a estrutura incomum de anel duplo se destacou, marcando o primeiro círculo de rádio estranho identificado com o LOFAR. 

Os anéis parecem se cruzar, o que os pesquisadores acreditam ser devido ao nosso ponto de vista a partir da Terra, mas provavelmente estão separados no espaço. O par se estende por 978.469 anos-luz de diâmetro. Astrônomos já acreditaram que os estranhos círculos de rádio poderiam ser gargantas de buracos de minhoca, ondas de choque de colisões de buracos negros ou galáxias em fusão, ou ainda jatos poderosos emitindo partículas energéticas.

As nuvens de plasma provavelmente foram criadas inicialmente por jatos de material liberados pelo buraco negro supermassivo da galáxia. Uma nova onda de choque essencialmente iluminou a “fumaça” deixada pela atividade passada da galáxia. Buracos negros não devoram diretamente estrelas, gás e poeira. Em vez disso, esse material cai em um disco giratório ao redor do buraco negro. À medida que os detritos giram mais rapidamente, tornam-se superaquecidos. Os poderosos campos magnéticos ao redor dos buracos negros ajudam a canalizar essas partículas energéticas e superaquecidas para longe deles em jatos que quase atingem a velocidade da luz.

A equipe de ciência cidadã também detectou dois círculos de rádio estranhos adicionais em duas galáxias diferentes, incluindo um localizado no final de um jato poderoso que apresenta uma curva acentuada, resultando em um anel de rádio com cerca de 100.000 anos-luz de largura. Ambos os círculos de rádio estranhos estão em galáxias que ficam dentro de aglomerados maiores de galáxias, o que significa que os jatos lançados de seus buracos negros supermassivos interagem com o plasma quente ao redor, o que pode ajudar a moldar os anéis de rádio. 

No momento, a ciência cidadã parece ser a melhor abordagem,, pois é difícil treinar uma IA para detectar círculos de rádio estranhos porque há poucos exemplos conhecidos. Os ORCs são realmente difíceis de encontrar, mas sabe-se que devem haver centenas nos dados. 

A equipe acredita que o fenômeno pode servir como uma forma de registrar e preservar eventos antigos e violentos que moldaram galáxias há bilhões de anos atrás. A luz do círculo de rádio viajou por 7,5 bilhões de anos até chegar à Terra e pode fornecer informações sobre os papéis que os círculos de rádio estranhos desempenham na evolução das galáxias em diferentes escalas de tempo, algo ainda pouco compreendido.

Muitas perguntas ainda pairam sobre os círculos de rádio estranhos, incluindo por que os astrônomos só os veem em tamanhos tão grandes. Será que os círculos se expandem a partir de bolhas menores e indetectáveis? E se os círculos de rádio estranhos surgem da fusão de galáxias ou buracos negros supermassivos, por que não são observados com mais frequência? 

A ajuda de cientistas cidadãos e de telescópios de nova geração, como o Square Kilometre Array (SKA), na África do Sul e na Austrália, será essencial para responder a essas perguntas. Atualmente em construção e com previsão de conclusão para 2028, o conjunto incluirá milhares de antenas parabólicas e até um milhão de antenas de baixa frequência, criando o maior radiotelescópio do mundo. Embora essas antenas e pratos estejam em duas partes diferentes do planeta, eles formarão um único telescópio com mais de 1 milhão de metros quadrados de área coletora, permitindo que os astrônomos examinem todo o céu muito mais rapidamente do que nunca. O SKA e outros telescópios em desenvolvimento poderão observar os estranhos círculos de rádio com muito mais detalhes, ajudando os astrônomos a aprender mais sobre a evolução de buracos negros e galáxias.

O estudo foi publicado no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: RAD@home Astronomy Collaboratory

Detectado o objeto escuro de menor massa no Universo distante

Uma equipe internacional de pesquisadores, utilizando uma rede mundial de radiotelescópios, incluindo o VLBA (Very Long Baseline Array) e o GBT (Green Bank Telescope), detectou um enigmático objeto escuro com uma massa cerca de um milhão de vezes superior à do nosso Sol, sem observar qualquer emissão de luz.

© NRAO (arco de lente gravitacional e sinal de aglomerado de matéria escura)

Este é o objeto escuro de menor massa alguma vez detectado a uma distância cosmológica usando apenas a sua influência gravitacional, constituindo um marco importante na tentativa de desvendar a natureza da matéria escura.

A descoberta utiliza uma técnica conhecida como interferometria de longa linha de base para formar um telescópio global, do tamanho da Terra, que capta imagens extremamente nítidas de fenômenos cósmicos.

A equipe observou um sistema de galáxias distantes, JVAS B1938+666, onde a luz de uma galáxia de fundo sofre o efeito de lente gravitacional de uma galáxia em primeiro plano, produzindo belos arcos e imagens múltiplas.

O objeto recentemente caracterizado é indetectável nos comprimentos de onda do infravermelho ou no rádio e foi encontrado a cerca de 10 bilhões de anos-luz da Terra, cerca de 6,5 bilhões de anos após o Big Bang.

A sua detecção foi possível graças ao método de imagem gravitacional, que mapeia sensivelmente a forma como a luz de fontes de fundo é deformada por uma massa invisível. A concentração de massa, designada por "V" no estudo, tem uma massa cilíndrica equivalente a 1,13 milhões de sóis num raio de 80 parsecs. Trata-se de um nível de precisão e de distância nunca antes alcançado para objetos tão pequenos e tênues.

A equipe desenvolveu algoritmos computacionais avançados e utilizou supercomputadores para processar e modelar vastos conjuntos de dados. Isto permitirá aos astrônomos sondar a estrutura da matéria escura ao longo do tempo cósmico, abrindo a porta à descoberta de mais objetos deste tipo e examinando se as teorias atuais sobre a formação de galáxias resistem ao escrutínio.

As observações realçam ainda mais o poder de reunir radiotelescópios de todo o mundo para ultrapassar os limites da sensibilidade e da resolução angular. O GBT e o VLBA, ambos operados pelo NRAO (National Radio Astronomy Observatory) desempenharam um papel crucial nesta descoberta histórica. À medida que a equipe continua estudando outros sistemas de lentes gravitacionais, quaisquer descobertas futuras ajudarão a determinar se a abundância e a natureza destes objetos escuros são consistentes com as teorias fundamentais que governam o nosso Universo.

Um artigo foi publicado na resvista Nature Astronomy e outro no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: National Radio Astronomy Observatory

A matéria escura e a energia escura podem ser apenas uma ilusão cósmica

Os astrônomos pensam, há décadas, que a matéria escura e a energia escura constituem a maior parte do Universo. No entanto, um novo estudo sugere que poderão não existir de todo.

© Hubble (NGC 7038)

Em vez disso, o que nos parece ser matéria e energia escuras pode ser simplesmente o efeito das forças naturais do Universo enfraquecendo lentamente à medida que este envelhece.

Liderado por Rajendra Gupta, professor no Departamento de Física da Universidade de Ottawa, o estudo afirma que se as forças básicas da natureza (como a gravidade) mudarem lentamente ao longo do tempo e no espaço, podem explicar os estranhos fenômenos que observamos, tais como a forma como as galáxias evoluem e giram e como o Universo se expande.

"As forças do Universo enfraquecem, em média, à medida que este se expande", explica o professor Gupta. "Este enfraquecimento faz com que pareça que existe um impulso misterioso que faz com que o Universo se expanda mais rapidamente (que é identificado como a energia escura). No entanto, à escala das galáxias e dos aglomerados de galáxias, a variação destas forças no espaço gravitacionalmente limitado resulta numa gravidade extra (que se considera ser devida à matéria escura). Mas estas coisas podem ser apenas ilusões, resultantes da evolução das constantes que definem a força das forças".

E acrescenta: "Há dois fenômenos muito diferentes que devem ser explicados pela matéria escura e pela energia escura: o primeiro é à escala cosmológica, ou seja, a uma escala superior a 600 milhões de anos-luz, assumindo que o Universo é homogêneo e igual em todas as direções. O segundo é à escala astrofísica, ou seja, a uma escala menor o Universo é muito irregular e depende da direção. No modelo padrão, os dois cenários requerem equações diferentes para explicar as observações usando matéria escura e energia escura. O nosso é o único que as explica com a mesma equação e sem necessidade de matéria ou energia escuras".  "O que é realmente excitante é que esta nova abordagem permite-nos explicar o que vemos no céu: a rotação das galáxias, o agrupamento de galáxias e até a forma como a luz se curva em torno de objetos massivos, sem termos de imaginar que há algo escondido lá fora. Tudo isto é apenas o resultado da variação das constantes da natureza à medida que o Universo envelhece e se torna irregular".

No ano passado, o professor Gupta pôs em causa a existência da matéria escura no Universo no seu estudo à escala cosmológica. Neste trabalho à escala astrofísica, questionou os modelos teóricos atuais para as curvas de rotação das galáxias.

No novo modelo, o parâmetro frequentemente designado por α emerge do fato de se permitir a evolução das constantes de acoplamento. Com efeito, α comporta-se como uma "componente" extra nas equações gravitacionais que produz efeitos semelhantes aos que os astrônomos atribuem à matéria escura e à energia escura.

Em escalas cosmológicas, α é tratado como uma constante, por exemplo, determinado pelo ajuste de dados de supernovas. Mas localmente (à escala astrofísica), numa galáxia, dado que a distribuição da matéria comum (buracos negros, estrelas, planetas, gás, etc.) varia drasticamente, α varia, fazendo com que o efeito gravitacional extra dependa da localização dessa matéria. Assim, a nova teoria prevê que, em regiões onde existe muita matéria comum, o efeito gravitacional extra é menor, e onde a densidade de matéria detectável é baixa, é maior.

Em vez de adicionar halos de matéria escura à volta das galáxias, a atração gravitacional extra vem de α no novo modelo. Reproduz as "curvas de rotação planas" observadas (estrelas que se movem mais depressa do que o esperado nas partes exteriores das galáxias).

O professor Gupta pensa que esta ideia pode resolver alguns dos maiores quebra-cabeças da astronomia. "Durante anos, lutamos para explicar como é que as galáxias do Universo primitivo se formaram tão rapidamente e se tornaram tão massivas", afirma. "Com o nosso modelo, não é necessário assumir quaisquer partículas exóticas ou quebrar as regras da física. A linha temporal do Universo simplesmente estica-se, quase duplicando a idade do Universo e abrindo caminho para tudo o que observamos".

Efetivamente, a linha temporal alargada para a formação de estrelas e galáxias torna muito mais fácil explicar como é que estruturas grandes e complexas como galáxias e buracos negros podem ter aparecido tão cedo no Universo. Esta teoria pode mudar completamente a forma como pensamos sobre o Universo. Dá mesmo a entender que a procura de partículas de matéria escura, algo em que os cientistas gastaram anos e bilhões de dólares, poderá afinal não ser necessária. Mesmo que as partículas exóticas sejam encontradas experimentalmente, teriam de constituir cerca de seis vezes a massa da matéria comum. Talvez os maiores segredos do Universo sejam apenas constituídos pelas constantes evolutivas da natureza.

Um artigo foi publicado no periódico Galaxies.

Fonte: University of Ottawa

O buraco negro mais antigo do Universo

Astrônomos identificaram o buraco negro mais distante do Universo.

© Erick Zumalt (ilustração da galáxia CAPERS-LRD-z9)

O buraco negro e a galáxia hospedeira, CAPERS-LRD-z9, estão presentes 500 milhões de anos após o Big Bang. Isto coloca-o 13,3 bilhões de anos no passado, quando o Universo tinha apenas 3% da sua idade atual, constituindo uma oportunidade única para estudar a estrutura e a evolução deste período enigmático.

Embora os astrônomos tenham encontrado alguns candidatos mais distantes, ainda não encontraram a assinatura espectroscópica distinta associada a um buraco negro. Com a espectroscopia, é possível analisar a luz nos seus vários comprimentos de onda para estudar as características de um objeto. Para identificar buracos negros, são procurados indícios de gás em movimento rápido. À medida que circula e cai num buraco negro, a luz do gás que se afasta de nós é esticada para comprimentos de onda muito mais vermelhos, e a luz do gás que se aproxima de nós é comprimida para comprimentos de onda muito mais azuis.

Os astrônomos utilizaram dados do programa CAPERS (CANDELS-Area Prism Epoch of Reionization Survey) do telescópio espacial James Webb para a sua pesquisa. Lançado em 2021, o JWST fornece as vistas mais distantes disponíveis do espaço, e o CAPERS fornece observações da orla mais externa.

Inicialmente visto como uma mancha interessante nas imagens do programa, CAPERS-LRD-z9 acabou por fazer parte de uma nova classe de galáxias conhecidas como "Pequenos Pontos Vermelhos". Presentes apenas nos primeiros 1,5 bilhões de anos do Universo, estas galáxias são muito compactas, vermelhas e inesperadamente brilhantes. Por um lado, esta galáxia vem juntar-se à evidência crescente de que os buracos negros supermassivos são a fonte do brilho inesperado dos Pequenos Pontos Vermelhos. Normalmente, esse brilho indicaria uma abundância de estrelas numa galáxia. No entanto, os Pequenos Pontos Vermelhos existem num momento em que uma massa tão grande de estrelas é improvável. 

Esta galáxia é também notável pela dimensão colossal do seu buraco negro. Estimado em 300 milhões de vezes mais do que o nosso Sol, a sua massa chega a ser metade da de todas as estrelas da galáxia. Mesmo entre os buracos negros supermassivos, este é particularmente grande. Encontrar um buraco negro tão massivo tão cedo fornece aos astrônomos uma oportunidade valiosa para estudar o desenvolvimento destes objetos. Um buraco negro presente no Universo mais recente terá tido diversas oportunidades de aumentar de volume durante a sua vida. Mas um presente nas primeiras centenas de milhões de anos não teria.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: McDonald Observatory

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

Nova medição da expansão do Universo sugere resolução de um conflito

Ao longo da última década, os cientistas têm tentado resolver o que parecia ser uma grande inconsistência no Universo.

© Webb (NGC 1365)

O Universo expande-se ao longo do tempo, cujo ritmo de expansão é refletida pela Constante de Hubble, mas a velocidade a que se expande parece ser diferente consoante se olha para o início da história do Universo ou para os dias de hoje. A ser verdade, isto teria sido um grande problema para o modelo padrão que representa a nossa melhor compreensão do Universo. Mas graças ao telescópio espacial James Webb, cientistas da Universidade de Chicago conseguiram obter novos e melhores dados, sugerindo que, afinal, pode não haver conflito. 

Existem atualmente duas abordagens principais para calcular a velocidade a que o nosso Universo está se expandindo. A primeira abordagem consiste em medir a luz remanescente do Big Bang, que ainda está viajando pelo Universo. Esta radiação, conhecida como radiação cósmica de fundo em micro-ondas, informa sobre as condições nos primeiros tempos do Universo. A segunda abordagem consiste em medir a velocidade a que o Universo está se expandindo neste momento, na nossa vizinhança astronômica local. Paradoxalmente, isto é muito mais complicado do que ver para trás no tempo, porque medir distâncias com precisão é um grande desafio. 

Ao longo do último meio século, os cientistas descobriram uma série de formas de medir distâncias relativamente próximas. Uma delas baseia-se na captação da luz de uma determinada classe de estrelas no seu pico de brilho, quando explodem como supernova no final da sua vida. Se conhecermos o brilho máximo destas supernovas, a medição das suas luminosidades aparentes permite-nos calcular a sua distância. Observações adicionais dizem-nos a que velocidade a galáxia em que a supernova ocorreu está se afastando de nós.

Existem também dois outros métodos que utilizam dois outros tipos de estrelas: as estrelas gigantes vermelhas e as estrelas de carbono. No entanto, há muitas correções que têm de ser aplicadas a estas medições antes de se poder declarar uma distância final. Em primeiro lugar, os cientistas têm de ter em conta a poeira cósmica que obscurece a luz entre nós e estas estrelas distantes nas suas galáxias hospedeiras. Têm também de verificar e corrigir as diferenças de luminosidade que podem surgir ao longo do tempo cósmico. E, finalmente, têm de ser identificadas e corrigidas as incertezas sutis da instrumentação utilizada para efetuar as medições. Mas com os avanços tecnológicos, como o lançamento do muito mais potente telescópio espacial James Webb, em 2021, os cientistas têm conseguido aperfeiçoar cada vez mais estas medições.

O último cálculo efetuado pelos pesquisadores, que incorpora dados do telescópio espacial Hubble e do telescópio espacial James Webb, determina um valor de 70,4 quilômetros por segundo por megaparsec, mais ou menos 3%. Isto coloca o seu valor em concordância estatística com as medições recentes da radiação cósmica de fundo, que é de 67,4, mais ou menos 0,7%. O Webb tem uma resolução quatro vezes superior à do Hubble, o que lhe permite identificar estrelas individuais anteriormente detectadas em grupos desfocados. É também cerca de 10 vezes mais sensível, o que permite uma maior precisão e a capacidade de encontrar objetos de interesse ainda mais tênues. 

Os cientistas ainda estão tentando encontrar falhas no Modelo Padrão que descreve o Universo, o que poderia fornecer pistas sobre a natureza de dois grandes mistérios pendentes, a matéria escura e a energia escura. Mas a Constante de Hubble parece cada vez mais não ser o local onde procurar.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal.

Fonte: University of Chicago