Estrelas velhas podem servir como nova "régua" cósmica

Apesar de um século de medições, os astrônomos não conseguem concordar no valor da expansão do Universo.

© Martin Pugh (R Leropis)

Uma técnica que se baseia na medição de distâncias a um tipo específico de estrela velha em outras galáxias, chamado método JAGB (J-region Asymptotic Giant Branch), pode ajudar.

A estrela brilhante e alaranjada, R Leropis, visível no centro, é um exemplo de um tipo de estrelas localizada na região-J do ramo assintótico das gigantes. A cor impressionante vem das grandes quantidades de carbono na atmosfera.

A astrofísica e estudante da Universidade de Chicago, Abigail Lee, analisou observações da luz de uma galáxia próxima para validar o método JAGB para medir distâncias cósmicas. Esta nova técnica permitirá futuras medições independentes de distância que podem ajudar a responder a uma das maiores questões pendentes da cosmologia: quão depressa está o Universo se expandindo? 

"Uma das questões mais interessantes da cosmologia hoje é se há uma nova física em falta no nosso entendimento atual de como o Universo está evoluindo. Uma discrepância atual na medição da constante de Hubble pode estar sinalizando uma nova propriedade física do Universo ou incertezas não reconhecidas de medição," disse Wendy L. Freedman, professora de astronomia e astrofísica na mesma universidade. Existem poucos métodos para medir distâncias que podem fornecer a precisão necessária.

Em 1920, Edwin Hubble notou pela primeira vez a relação entre a distância de uma galáxia e quão depressa estava se afastando de nós. Este valor, agora conhecido como constante de Hubble, é um parâmetro chave dos modelos cosmológicos. Hubble primeiro mediu esta constante comparando medições de distâncias galácticas e velocidades derivadas de um tipo específico de estrela que pulsa regularmente. 

As medições, usando métodos diretos como o de Hubble, melhoraram muito ao longo das décadas, mas não concordam com os métodos que extrapolam a partir da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, a radiação remanescente do Universo muito primitivo. Esta discordância é chamada de tensão de Hubble e é uma das questões mais proeminentes da cosmologia moderna. 

Um método de medição independente pode ajudar a preencher a lacuna entre os métodos e levar a um valor mais decisivo da constante de Hubble medida diretamente das distâncias. É aqui que entra o método JAGB. As estrelas na região-J do ramo assintótico das gigantes são um tipo específico de gigantes velhas que contêm uma quantidade substancial de carbono nas suas atmosferas e que é trazido para a superfície por correntes de convecção, dando-lhes uma cor e brilho muito distintos que permite que sejam identificadas num determinado conjunto de estrelas numa galáxia.

Foi observado empiricamente que estas estrelas têm um brilho intrínseco conhecido de galáxia para galáxia. Isto torna-as grandes candidatas de velas padrão. Sabendo que o brilho aparente de uma estrela depende tanto da distância ao observador como do seu brilho intrínseco, se for conhecido este brilho intrínseco de uma estrela, é possível inferir a sua distância. 

A equipe selecionou uma galáxia na periferia do grupo galáctico mais próximo, chamada WLM (Wolf–Lundmark–Melotte), e usou dados obtidos de observações com os telescópios Magellan no Observatório Las Campanas no Chile. 

Usando um único objeto como alvo e aplicando quatro métodos diferentes e independentes de medição, a equipe pôde comparar a exatidão e a precisão do método JAGB com os métodos estabelecidos anteriormente. Depois de analisarem dados de quatro maneiras diferentes, as pesquisadoras determinaram que o método JAGB não é apenas uma verificação independente de outros métodos de medição de distâncias, mas que requer menos tempo de observação. 

Considerando que as estrelas JAGB são mais brilhantes do que as estrelas usadas em outras medições de distância, também podem ser observadas mais longe, o que permitirá calibrações mais distantes do que é possível com os outros métodos. Além disso, as estrelas JAGB podem ser encontradas em todos os tipos de galáxias, ao contrário das estrelas pulsantes usadas por Edwin Hubble, que se encontram apenas no subconjunto mais limitado de galáxias espirais e sofrem frequentemente de aglomeração e interferência significativa da poeira.

"Idealmente, vamos obter tempo de observação com o telescópio espacial James Webb e com o telescópio espacial Hubble para usar este método e medir distâncias a galáxias que hospedam supernovas do Tipo Ia," disse Lee. 

As supernovas do Tipo Ia são usadas para medir galáxias mais distantes, mas precisam de ser calibradas por medições de distâncias inferiores usando técnicas como o método JAGB. "Assim que fizermos isto, podemos não apenas medir a constante de Hubble, mas também comparar estes vários métodos de distância para ver se há problemas com algum deles." 

Se este novo valor independente para a constante de Hubble concordar com outros métodos de medição direta ou com medições do Universo inicial, irá lançar luz sobre esta questão que há muito intriga os astrônomos e cosmólogos.

"Não temos uma compreensão firme do valor da constante de Hubble, de modo que este trabalho é realmente importante para ajudar a resolver, de momento, aquilo que é um dos maiores problemas da cosmologia," conclui Lee.

Fonte: University of Chicago

Galáxia mais distante ajuda a elucidar o Universo primordial

Um novo trabalho melhora a nossa compreensão do objeto astrofísico mais distante conhecido, GN-z11, uma galáxia a 13,4 bilhões de anos-luz da Terra.

© NASA/GSFC (ilustração de uma explosão de raios gama)

Formada a 400 milhões de anos após o Big Bang, determinou-se anteriormente, graças a dados de telescópios espaciais, que GN-z11 é o objeto mais distante alguma vez descoberto.

Uma equipe de astrônomos liderada por Linhua Jiang do Instituto Kavli para Astronomia e Astrofísica da Universidade de Pequim obteve espectros no infravermelho próximo usando telescópios terrestres que confirmaram a distância da galáxia. Também avistaram um "flash" ultravioleta associado a uma explosão de raios gama da galáxia. 

As suas descobertas vão melhorar a nossa compreensão da formação de estrelas e galáxias no início do Universo. O Big Bang deu início ao Universo como uma sopa quente e turva de partículas extremamente energéticas que se expandia rapidamente. Após cerca de 400.000 anos, estas partículas arrefeceram e coalesceram em gás hidrogênio neutro, dando início a uma era das trevas cósmica. 

Algumas zonas de gás eram mais densas do que outras e, eventualmente, o seu material colapsou para dentro, formando os primeiros aglomerados estruturais no Universo. A energia liberada por estrelas e galáxias antigas fez com que o hidrogênio neutro espalhado por todo o Universo ficasse excitado e perdesse um elétron, um processo chamado ionização. 

Como os fótons podiam viajar livremente através deste gás ionizado, o Universo voltou a ficar luminoso. Este período de reionização cósmica durou várias centenas de milhões de anos e representa uma das transições de fase mais importantes da história do Universo. 

Um dos principais objetivos científicos dos telescópios de próxima geração, incluindo o GMT (Giant Magellan Telescope) em construção no Observatório de Las Campanas, é compreender esta época e detectar a luz destes primeiros objetos. No entanto, é muito difícil para os telescópios existentes detectar espectros de galáxias tão distantes, o que torna esta descoberta tão emocionante. 

Obtendo observações espectroscópicas profundas da GN-z11 usando o telescópio Keck em Mauna Kea, Havaí, a equipe foi capaz de confirmar a sua distância de 13,4 bilhões de anos-luz. No entanto, a análise da radiação proveniente da GN-z11 indicou uma abundância de elementos mais pesados do que o hidrogênio e hélio na composição da galáxia. Isto indica que não é uma das galáxias originais, que foram formadas a partir de um Universo pristino e frio e que não tem a cornucópia de elementos sintetizados por gerações anteriores de estrelas e semeados na matéria-prima circundante quando explodiram como supernovas.

As observações do Keck também revelaram uma explosão brilhante de luz que durou menos de três minutos. A análise detalhada revelou que este flash foi produzido por uma explosão de raios gama (GRB) em GN-z11. Não se sabia anteriormente que estes fenômenos já existiam apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang. 

Quanto mais aprendemos sobre os primeiros objetos do Universo, melhor podemos entender como a estrutura do nosso cosmos foi moldada.

Dois artigos sobre a descoberta foram publicados recentemente na revista Nature Astronomy.

Fonte: Carnegie Science

Lentes gravitacionais podem estimar a expansão do Universo

O Universo está se expandindo, mas há certeza de quão rápida esta expansão está acontecendo.

© Hubble (aglomerado de galáxias SDSS J1038+4849)

Agora, Simon Birrer, pós-doutorado da Universidade de Stanford e do Instituto Kavli para Física de Partículas e Astrofísica do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC pertencente ao Departamento de Energia dos EUA, e uma equipe internacional de pesquisadores têm uma nova resposta que pode, uma vez aprimorada com mais dados, ajudar a resolver o debate. 

Esta nova resposta é o resultado de revisitar um método com décadas chamado cosmografia de atraso de tempo com novas suposições e dados adicionais para derivar uma nova estimativa da constante de Hubble, uma medida da expansão do Universo. 

Sabe-se há quase um século que o cosmos está expandindo e, durante este tempo, foram estabelecidas duas formas principais de medir esta expansão. Um método é a escada de distâncias cósmicas, uma série de etapas que ajudam a estimar a distância até supernovas distantes. Ao examinar o espectro de luz destas supernovas, os cientistas podem calcular a rapidez com que estão se afastando de nós e, em seguida, dividir pela distância para estimar a constante de Hubble. 

A constante de Hubble também pode ser estimada a partir de ondulações na radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB, do inglês Cosmic Microwave Background radiation). Estas ondulações resultam de ondas sonoras que viajam pelo plasma no início do Universo.

Ao medir o tamanho das ondulações, podem inferir há quanto tempo e a que distância esta CMB que vemos hoje foi criada. Baseando-se numa teoria cosmológica bem estabelecida, os pesquisadores podem estimar a velocidade de expansão do Universo. No entanto, ambas as abordagens têm desvantagens. 

Os métodos de ondas sonoras dependem muito de como o som viajou no início do Universo, o que depende por sua vez da mistura particular de tipos de matéria no momento, de quanto tempo as ondas sonoras viajaram antes de deixar a sua marca na CMB e em suposições sobre a expansão do Universo desde aquela época. 

Entretanto, os métodos de escada de distâncias cósmicas encadeiam uma série de estimativas, começando com estimativas de radar da distância ao Sol e estimativas de paralaxe da distância até estrelas pulsantes chamadas cefeidas. Isto introduz uma cadeia de calibrações e medições, cada uma das quais necessita de ser precisa e sensível o suficiente para garantir uma estimativa confiável da constante de Hubble. 

Mas existe uma maneira de medir distâncias mais diretamente, com base no que chamamos de lentes gravitacionais fortes. A gravidade curva o próprio espaço-tempo e, com ele, o percurso que a luz faz através do cosmos. Um caso especial é quando um objeto muito massivo, como uma galáxia, curva a luz de um objeto muito distante de forma que a luz nos alcance por vários percursos diferentes, criando efetivamente várias imagens do mesmo objeto de fundo. 

Na década de 1960, através da teoria da relatividade de Einstein, foi possível usar as lentes gravitacionais fortes e a luz que curvam possibilitando medir mais diretamente as distâncias cósmicas. Ao longo da última década as medições tornaram-se precisas o suficiente para levar este método, cosmografia de atraso de tempo, da ideia à realidade. 

Medições sucessivas e um esforço dedicado pelas equipes H0LiCOW, COSMOGRAIL, STRIDES e SHARP, agora sob a alçada conjunta da organização TDCOSMOS, culminaram numa medição da constante de Hubble de aproximadamente 73 km/s/MPc (quilômetros por segundo por megaparsec) com uma precisão de 2%. Isto está de acordo com as estimativas feitas com o método local de escada de distâncias cósmicas, mas em tensão com as medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas sob as suposições do modelo cosmológico padrão. 

Com base nesta nova análise, com significativamente menos suposições aplicadas às sete galáxias influenciadas  por lentes gravitacionais com atraso de tempo que a equipe analisou em estudos anteriores, chegou-se a um valor mais alto da constante de Hubble, cerca de 74 km/s/MPc, mas com uma maior incerteza, o suficiente para que o seu valor fosse consistente com as estimativas altas e baixas da constante de Hubble. 

No entanto, quando foram adicionadas 33 lentes gravitacionais com propriedades semelhantes,mas sem uma fonte variável para trabalhar diretamente a cosmografia de atraso de tempo, usadas para estimar a estrutura galáctica, a estimativa da constante de Hubble caiu para cerca de 67 km/s/MPc, com 5% de incerteza, em boa concordância com as estimativas das ondas sonoras como as da CMB, mas também estatisticamente consistente com as determinações anteriores, dadas as incertezas. 

Esta mudança substancial não significa que o debate sobre o valor da constante de Hubble acabou, longe disso. Por um lado, o seu método introduz uma nova incerteza na estimativa associada às 33 lentes gravitacionais adicionadas na análise, e a TDCOSMO precisará de mais dados para confirmar os seus resultados, embora possam não demorar muito a chegar. 

Olhando mais adiante, novas imagens serão obtidas de mais galáxias com o LSST (Legacy Survey of Space and Time) do Observatório Vera Rubin para melhorar tais estimativas. 

Os resultados foram publicados no periódico Astronomy & Astrophysics.

Fonte: Stanford University

ALMA observa a galáxia mais distante parecida com a Via Láctea

Com o auxílio do Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), do qual o ESO é parceiro, os astrônomos observaram uma galáxia muito distante e, consequentemente, muito jovem, bastante parecida com a nossa Via Láctea.

© ESO/ALMA (SPT0418-47 sob o efeito de lente gravitacional)

A galáxia está tão distante que sua luz levou mais de 12 bilhões de anos para chegar até nós. Estamos vendo como era quando o Universo tinha apenas 1,4 bilhão de anos. Surpreendentemente, esta galáxia se mostra, também, pouco caótica, o que contradiz as teorias que apontam para que todas as galáxias no Universo primordial sejam turbulentas e instáveis. Esta descoberta inesperada desafia a nossa compreensão de como é que as galáxias se formam, nos dando pistas sobre o passado do nosso Universo.

Embora a galáxia estudada pelos astrônomos, chamada SPT0418-47, não pareça ter braços em espiral, ela tem pelo menos duas características típicas da Via Láctea: um disco em rotação e um bojo, um enorme grupo de estrelas aglomeradas de forma muito compacta em torno do centro galáctico. Trata-se da primeira vez que um bojo é visto tão cedo na história do Universo, fazendo da SPT0418-47 a galáxia semelhante à Via Láctea mais distante observada até hoje.

No Universo primordial, as galáxias jovens estão ainda no processo de formação, por isso os pesquisadores esperavam que se mostrassem caóticas e sem estruturas distintas típicas de galáxias mais maduras como a Via Láctea.

É fundamental estudar galáxias distantes como a SPT0418-47 para compreendermos como é que as galáxias se formam e evoluem. Esta galáxia está tão distante que a vemos quando o Universo tinha apenas 10% de sua idade atual porque sua luz levou 12 bilhões de anos para chegar à Terra. Ao estudar este objeto, estamos olhando para trás no tempo, para uma época em que estas galáxias estavam apenas começando a se desenvolver.

Como estas galáxias estão muito distantes, observações detalhadas, até mesmo com os telescópios mais poderosos, são quase impossíveis, pois as galáxias parecem pequenas e tênues. A equipe superou este obstáculo ao usar uma galáxia próxima como uma poderosa lupa, ou seja, o efeito conhecido por lente gravitacional, permitindo ao ALMA observar um passado distante com um detalhe sem precedentes. Neste efeito, a atração gravitacional da galáxia próxima distorce e curva a luz da galáxia distante, fazendo com que esta nos apareça deformada, mas bastante ampliada.

Com as lentes gravitacionais, a galáxia distante aparece como um anel de luz quase perfeito situado em torno da galáxia próxima, o que ocorre devido ao alinhamento quase exato entre estes dois objetos. A equipe de pesquisa reconstruiu a verdadeira forma da galáxia distante e o movimento do seu gás a partir dos dados ALMA, usando uma nova técnica de modelagem computacional.

A descoberta foi bastante intrigante; apesar de estar formando estrelas a uma taxa elevada e, consequentemente, ser um local de processos altamente energéticos, a SPT0418-47 é a galáxia de disco mais bem organizada já observada no Universo primordial. Contudo, os astrônomos observam que, apesar da SPT0418-47 ter um disco e outras estruturas semelhantes às galáxias espirais que vemos atualmente, esta galáxia evoluirá, muito provavelmente, para uma galáxia muito diferente da Via Láctea, se juntando à classe das galáxias elípticas, outro tipo de galáxias que, juntamente com as espirais, existe no Universo atual.

Esta descoberta inesperada sugere que o Universo primordial pode não ser tão caótico como se pensava, levantando muitas questões sobre como é que uma galáxia tão bem ordenada poderia ter se formado logo após o Big Bang. Esta descoberta do ALMA segue a descoberta anterior anunciada em maio de um disco massivo em rotação observado a uma distância semelhante. A SPT0418-47 é vista, no entanto, com muito mais detalhe, graças ao efeito de lente gravitacional, e possui um bojo além de um disco, o que a torna muito mais similar à nossa Via Láctea atual do que o objeto estudado anteriormente.

Estudos futuros, inclusive com o Extremely Large Telescope (ELT) do ESO, tentarão descobrir quão típicas são estas galáxias de disco prematuras e se são normalmente menos caóticas do que o previsto, o que abrirá novos caminhos que permitirão aos astrônomos descobrir como é que as galáxias evoluem.

Este pesquisa foi apresentada em um artigo intitulado “A dynamically cold disk galaxy in the early Universe”, publicado na revista Nature.

Fonte: ESO

Novas medições de distância reforçam desafio ao modelo do Universo

Um novo conjunto de medições precisas de distância, feitas com uma coleção internacional de radiotelescópios, aumentou muito a probabilidade de os teóricos precisarem de rever o "modelo padrão" que descreve a natureza fundamental do Universo.

© NRAO (disco contendo água em órbita de buraco negro)

As novas medições de distância permitiram aos astrônomos refinar o seu cálculo da Constante de Hubble, o ritmo de expansão do Universo, um valor importante para testar o modelo teórico que descreve a composição e evolução do Universo. O problema é que as novas medições exacerbam uma discrepância entre os valores medidos anteriormente da Constante de Hubble e o valor previsto pelo modelo quando aplicado a medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas feitas pelo satélite Planck.

"Descobrimos que as galáxias estão mais próximas do que o previsto pelo modelo padrão cosmológico, corroborando um problema identificado  em outros tipos de medições de distância. Tem havido um debate sobre se este problema está no próprio modelo ou nas medições usadas para o testar. O nosso trabalho utiliza uma técnica de medição de distância completamente independente de todas as outras, e reforçamos a disparidade entre valores medidos e previstos. É provável que o modelo cosmológico básico envolvido nas previsões seja o problema," disse James Braatz, do NRAO (National Radio Astronomy Observatory).

Braatz lidera o MCP (Megamaser Cosmology Project), um esforço internacional para medir a Constante de Hubble, encontrando galáxias com propriedades específicas que possibilitam produzir distâncias geométricas precisas. O projeto utilizou o VLBA (Very Long Baseline Array), o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) e o GBT (Green Bank Telescope), juntamente com o telescópio Effelsberg na Alemanha.

Edwin Hubble, que o telescópio espacial Hubble homenageia com o seu nome, foi o primeiro a calcular o ritmo de expansão do Universo (a Constante de Hubble) em 1929, medindo distâncias de galáxias e as suas velocidades de recessão. Quanto mais distante estiver uma galáxia, maior será a sua velocidade de recessão da Terra. Hoje, a Constante de Hubble continua sendo uma propriedade fundamental da cosmologia observacional e foco de muitos estudos modernos.

A medição da velocidade de recessão das galáxias é relativamente simples. Determinar distâncias cósmicas, no entanto, tem sido uma tarefa difícil para os astrônomos. Para objetos na nossa própria Via Láctea, é possível obter distâncias medindo a aparente mudança na posição do objeto quando visto de lados opostos da órbita da Terra em torno do Sol, um efeito chamado paralaxe. A primeira medição da paralaxe de uma estrela ocorreu em 1838.

Para além da nossa Galáxia, as paralaxes são demasiado pequenas para serem medidas, de modo que os astrônomos confiam em objetos denominados "velas padrão", assim chamados porque o seu brilho intrínseco é presumivelmente conhecido. A distância de um objeto de brilho conhecido pode ser calculada com base em quão tênue o objeto parece ser na Terra. Estas velas padrão incluem uma classe de estrelas chamada variáveis Cefeidas e um tipo específico de explosão estelar de nome supernova do Tipo Ia.

Outro método para estimar o ritmo de expansão envolve a observação de quasares distantes cuja luz é dobrada pelo efeito gravitacional de uma galáxia em primeiro plano em várias imagens. Quando o quasar varia de brilho, a alteração aparece nas diferentes imagens em momentos diferentes. A medição desta diferença de tempo, juntamente com os cálculos da geometria da curvatura da luz, produz uma estimativa do ritmo de expansão.

As determinações da Constante de Hubble com base nas velas padrão e nos quasares que sofrem efeito de lente gravitacional produziram valores de 73-74 km/s/Mpc (quilômetros por segundo por megaparsec).

No entanto, as previsões da Constante de Hubble a partir do modelo cosmológico padrão, quando aplicadas a medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas - a radiação remanescente do Big Bang - produzem um valor de 67,4, uma diferença significativa e preocupante. Esta diferença, provavelmente está acima dos erros experimentais nas observações, tem sérias implicações para o modelo padrão.

O modelo é chamado Modelo Lambda-CDM (Cold Dark Matter), onde "Lambda" refere-se à constante cosmológica de Einstein e é uma representação da energia escura. O modelo divide a composição do Universo principalmente entre matéria comum, matéria escura e energia escura, e descreve como o Universo evoluiu desde o Big Bang.

O MCP concentra-se em galáxias com discos de gás molecular, contendo água, que orbitam buracos negros supermassivos nos seus centros. Se o disco em órbita for visto quase de lado, a partir da perspetiva da Terra, pontos brilhantes de emissão de rádio, chamados masers - análogos a lasers visíveis, mas no rádio -, podem ser usados para determinar o tamanho físico do disco e a sua extensão angular e, portanto, através da geometria, a sua distância. A equipe do projeto usa uma coleção mundial de radiotelescópios para fazer as medições de precisão necessárias para esta técnica.

No seu trabalho mais recente, a equipe refinou as suas medições de distância para quatro galáxias, a distâncias entre 168 milhões de anos-luz e 431 milhões de anos-luz. Combinadas com medições de distância anteriores de duas outras galáxias, os seus cálculos produziram um valor para a Constante de Hubble de 73,9 km/s/Mpc.

"Testar o modelo padrão da cosmologia é um problema realmente complexo, que requer as melhores medições da Constante de Hubble. A discrepância entre os valores previstos e medidos da Constante de Hubble aponta para um dos problemas mais fundamentais de toda a física, de modo que gostaríamos de ter várias medições independentes que corroboram o problema e testam o modelo. O nosso método é geométrico e completamente independente de todos os outros, e reforça a discrepância," disse Dom Pesce, pesquisador do Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica.

"O método de maser para a medição do ritmo de expansão do Universo é elegante e, ao contrário dos outros, baseia-se na geometria. Ao medir posições e dinâmicas extremamente precisas de pontos maser no disco de acreção em torno de um buraco negro distante, podemos determinar a distância à galáxia hospedeira e, em seguida, o ritmo de expansão. O nosso resultado desta técnica única reforça o argumento de um problema-chave na cosmologia observacional," disse Mark Reid, do Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica, membro da equipa do MCP.

"A nossa medição da Constante de Hubble está muito próxima de outras medições recentes e é estatisticamente muito diferente das previsões com base na radiação cósmica de fundo em micro-ondas e no modelo cosmológico padrão. Tudo indica que o modelo padrão precisa de revisão," disse Braatz.

Os astrônomos têm várias maneiras de ajustar o modelo para resolver a discrepância. Algumas incluem alterar pressupostos sobre a natureza da energia escura, afastando-se da constante cosmológica de Einstein. Outras analisam mudanças fundamentais na física de partículas, como por exemplo a mudança de números ou tipos de neutrinos ou as possibilidades de interações entre eles. Existem outras possibilidades, ainda mais exóticas.

"Este é um caso clássico de interação entre observação e teoria. O Modelo Lambda-CDM tem funcionado muito bem durante anos, mas agora as observações apontam claramente para um problema que precisa de ser resolvido, e parece que o problema está no modelo," conclui Pesce.

Os resultados foram relatados no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: National Radio Astronomy Observatory

Hubble faz descoberta surpreendente no Universo primitivo

Novos resultados do telescópio espacial Hubble sugerem que a formação das primeiras estrelas e galáxias no início do Universo ocorreu mais cedo do que se pensava anteriormente.

© Hubble (aglomerado de galáxias MACSJ0416)

Não foram encontradas evidências da primeira geração de estrelas, conhecida como População III, até um momento no passado em que o Universo tinha apenas 500 milhões de anos.

A exploração das primeiras galáxias continua a ser um desafio significativo na astronomia moderna. Não sabemos quando ou como as primeiras estrelas e galáxias do Universo se formaram. Estas perguntas podem ser abordadas com o telescópio espacial Hubble através de observações profundas, que permite perscrutar o Universo até 500 milhões de anos após o Big Bang.

Uma equipe de pesquisadores europeus, liderada por Rachana Bhatawdekar da ESA, decidiu estudar a primeira geração de estrelas no início do Universo. Conhecidas como estrelas de População III (cujo nome surgiu porque os astrônomos já tinham classificado estrelas da Via Láctea como População I, estrelas como o Sol, ricas em elementos mais pesados, e População II, estrelas mais velhas com um conteúdo baixo de elementos pesados, encontradas no bojo e no halo da Via Láctea e em aglomerados globulares), estas estrelas foram forjadas a partir do material primordial que emergiu do Big Bang. As estrelas de População III devem ter sido formadas exclusivamente com hidrogênio, hélio e lítio, os únicos elementos que existiam antes dos processos nos núcleos destas estrelas produzirem elementos mais pesados, como oxigênio, nitrogênio, carbono e ferro.

Os astrônomos analisaram o Universo primitivo cerca de 500 milhões a um bilhão de anos após o Big Bang estudando o aglomerado de galáxias MACSJ0416 e o seu campo paralelo com o telescópio espacial Hubble, com dados de suporte do telescópio espacial Spitzer da NASA e do Very large Telescope (VLT) do ESO.

Isto foi alcançado usando o instrumento WFC3 (Wide Field Camera 3) e o instrumento ACS (Advanced Camera for Surveys) do telescópio espacial Hubble, como parte do programa Frontier Fields do Hubble. Este programa (que observou seis distantes aglomerados de galáxias de 2012 a 2017) produziu as observações mais profundas alguma vez feitas de aglomerados de galáxias e das galáxias localizadas atrás deles que foram ampliadas pelo efeito das lentes gravitacionais, revelando galáxias 10 a 100 vezes mais tênues do que as observadas anteriormente. As massas dos aglomerados de galáxias em primeiro plano são grandes o suficiente para curvar e ampliar a luz dos objetos mais distantes atrás deles. Isto permite que o telescópio espacial Hubble use estas lupas cósmicas para estudar objetos que estão localizados além das suas capacidades operacionais nominais.

Os astrônomos desenvolveram uma nova técnica que remove a luz das galáxias brilhantes em primeiro plano que constituem estas lentes gravitacionais. Isto permitiu-lhes descobrir galáxias com massas mais baixas do que as observadas anteriormente com o Hubble, a uma distância correspondente a quando o Universo tinha menos de um bilhão de anos. Neste instante cósmico, a falta de evidências para populações estelares exóticas e a identificação de muitas galáxias de baixa massa suporta a sugestão de que estas galáxias são os candidatos mais prováveis à reionização do Universo. Este período de reionização no início do Universo é quando o meio intergaláctico neutro foi ionizado pelas primeiras estrelas e galáxias.

"Estes resultados têm profundas consequências astrofísicas, pois mostram que as galáxias devem ter-se formado muito antes do que pensávamos," disse Bhatawdekar. "Isto também apoia fortemente a ideia de que galáxias de baixa massa/tênues no início do Universo são responsáveis pela ionização."

Estes resultados serão publicados no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: Space Telescope Science Institute

Descoberto disco giratório e massivo no Universo jovem

No nosso Universo de 13,8 bilhões de anos, a maioria das galáxias como a Via Láctea forma-se gradualmente, atingindo a sua grande massa relativamente tarde. Mas uma nova descoberta feita com o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), de uma galáxia massiva e de disco giratório, vista quando o Universo tinha apenas 10% da sua idade atual, desafia os modelos tradicionais de formação de galáxias.

© NRAO/ALMA/S. Dagnello (Disco Wolfe)

A galáxia DLA0817g, apelidada de "Disco Wolfe" em homenagem ao falecido astrônomo Arthur M. Wolfe, é a galáxia de disco giratório mais distante já observada. O poder incomparável do ALMA tornou possível ver esta galáxia girando a 272 km/s, semelhante à nossa Via Láctea.

"Embora estudos anteriores tenham sugerido a existência destas galáxias precoces de disco, ricas em gás e giratórias, graças ao ALMA agora temos evidências inequívocas de que existiam apenas 1,5 bilhões de anos após o Big Bang," disse Marcel Neeleman do Instituto Max Planck para Astronomia em Heidelberg, Alemanha.

A descoberta de Disco Wolfe oferece um desafio para muitas simulações de formação de galáxias, que preveem que galáxias massivas, neste ponto da evolução do cosmos, cresceram através de muitas fusões de galáxias menores e aglomerados quentes de gás.

A maioria das galáxias que encontramos no início do Universo parecem destroços de acidentes porque foram submetidas a uma fusão consistente. Estas fusões escaldantes dificultam a formação de discos giratórios frios e bem ordenados, como observamos no Universo atual.

Na maioria dos cenários de formação galáctica, as galáxias só começam a mostrar um disco bem formado cerca de 6 bilhões de após o Big Bang. O motivo dos astrônomos encontrarem uma galáxia deste tipo, quando o Universo tinha apenas 10% da sua idade atual, indica que outros processos de crescimento devem ter dominado.

"Pensamos que o Disco Wolfe tenha crescido principalmente através de acreção constante de gás frio," disse J. Xavier Prochaska, da Universidade da Califórnia em Santa Cruz. "Ainda assim, uma das questões que resta é como montar uma massa tão grande de gás, mantendo um disco giratório relativamente estável."

A equipe também usou o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) e o telescópio espacial Hubble para aprender mais sobre a formação estelar no Disco Wolfe. Nos comprimentos de onda do rádio, o ALMA analisou os movimentos e a massa de gás atômico e poeira enquanto o VLA media a quantidade de massa molecular, o combustível da formação estelar. No ultravioleta, o Hubble observou estrelas massivas. 

"O ritmo de formação estelar no Disco Wolfe é pelo menos dez vezes maior do que na Via Láctea," explicou Prochaska. "Deve ser uma das galáxias de disco mais produtivas do Universo jovem."

O Disco Wolfe foi descoberto pelo ALMA em 2017. Neeleman e a sua equipe encontraram a galáxia quando examinaram a luz de um quasar mais distante. A luz do quasar foi absorvida ao passar por um enorme reservatório de hidrogênio gasoso ao redor da galáxia. Em vez de procurar luz direta de galáxias extremamente brilhantes, mas mais raras, os astrônomos usaram este método de "absorção" para encontrar galáxias mais fracas no início do Universo.

Esta pesquisa foi publicada na revista Nature.

Fonte: National Radio Astronomy Observatory

ALMA identifica primeira poluição ambiental do Universo

Usando o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), pesquisadores descobriram nuvens gigantescas de carbono gasoso com um raio superior a 30.000 anos-luz em torno de galáxias jovens.

© ALMA/Hubble (galáxia jovem rodeada por um casulo gasoso de carbono)

Esta é a primeira confirmação de que os átomos de carbono, produzidos no interior das estrelas, no início do Universo, se espalharam além das galáxias. Nenhum estudo teórico previu grandes casulos de carbono em torno de galáxias em crescimento, o que levanta questões sobre a nossa compreensão atual da evolução cósmica.

Os astrônomos examinaram cuidadosamente o Arquivo Científico ALMA e recolheram todos os dados que contêm sinais de rádio de íons de carbono em galáxias do Universo jovem, apenas um bilhão de anos após o Big Ban. Ao combinarem todos os dados, foi possível alcançar uma sensibilidade sem precedentes. Obter um conjunto de dados da mesma qualidade com uma observação levaria 20 vezes mais do que as observações típicas do ALMA, o que é quase impossível de alcançar.

Os elementos pesados como o carbono e o oxigênio não existiam no Universo na época do Big Bang. Foram formados mais tarde graças à fusão nuclear nas estrelas. No entanto, ainda não se sabe como estes elementos se espalharam pelo Universo. Os astrônomos encontraram elementos pesados dentro de galáxias bebê, mas não além destas galáxias, devido à sensibilidade limitada dos seus telescópios. A equipe de astrônomos resumiu os sinais fracos armazenados no arquivo de dados e empurrou os limites.

"As nuvens gasosas de carbono são quase cinco vezes maiores do que a distribuição de estrelas nas galáxias, como observado pelo telescópio espacial Hubble," explica Masami Ouchi, professor na Universidade de Tóquio e do Observatório Astronômico Nacional do Japão. "Vimos nuvens difusas, mas enormes, flutuando no Universo escuro como carvão."

Então, como é que os casulos de carbono se formaram?

As explosões de supernova na fase final da vida estelar expelem elementos pesados formados nas estrelas. Os jatos energéticos e a radiação dos buracos negros supermassivos nos centros das galáxias também podem ajudar a transportar carbono para fora das galáxias e, finalmente, para todo o Universo. "Estamos testemunhando este processo de difusão em andamento, a primeira poluição ambiental do Universo," diz o professor Rob Ivinson, diretor de ciência do ESO.

A equipe realça que, atualmente, os modelos teóricos são incapazes de explicar estas grandes nuvens de carbono em torno de galáxias jovens, provavelmente indicando que algum novo processo físico tem de ser incorporado nas simulações cosmológicas. "As galáxias jovens parecem ejetar uma quantidade de gás rico em carbono que excede em muito a nossa expetativa," diz Andrea Ferrara, professor da Scuola Normale Superiore di Pisa.

A equipe está agora usando o ALMA e outros telescópios por todo o planeta para explorar ainda mais as implicações da descoberta de fluxos galácticos e halos ricos em carbono em torno das galáxias.

Fonte: National Radio Astronomy Observatory

Perto do sinal da alvorada cósmica

Utilizando o radiotelescópio MWA (Murchison Widefield Array), pesquisadores deram um novo e significativo passo em direção à detecção de um sinal do período da história cósmica em que as primeiras estrelas iluminaram o Universo.

© U. Curtin/Goldsmith (uma porção do radiotelescópio MWA)

Há cerca de 12 bilhões de anos, o Universo emergiu de uma grande idade das trevas cósmica quando as primeiras estrelas e galáxias se iluminaram. Com uma nova análise de dados recolhidos pelo radiotelescópio MWA, os cientistas estão agora mais perto do que nunca de detectar a assinatura ultrafraca deste momento decisivo na história cósmica.

Foi obtida uma primeira análise de dados de uma nova configuração do MWA desenhada especificamente para procurar o sinal do hidrogênio neutro, o gás que dominou o Universo durante a idade das trevas cósmica. A análise estabelece um novo limite, o limite mais baixo até agora, para a força do sinal do hidrogênio neutro.

Apesar da sua importância na história cósmica, pouco se sabe sobre o período em que as primeiras estrelas se formaram, conhecido como Época da Reionização. Os primeiros átomos que se formaram após o Big Bang foram íons de hidrogênio com carga positiva, átomos cujos elétrons foram arrancados pela energia do Universo jovem. À medida que o Universo arrefecia e se expandia, os átomos de hidrogênio reuniram-se com os seus elétrons para formar hidrogênio neutro. E isto era tudo o que havia no Universo até há cerca de 12 bilhões de anos, quando os átomos começaram a agrupar-se para formar estrelas e galáxias. A luz destes objetos reionizou o hidrogênio neutro, fazendo com que desaparecesse amplamente do espaço interestelar.

O objetivo de projetos como o que está decorrendo no MWA é localizar o sinal do hidrogênio neutro da idade das trevas e medir como mudou à medida que a Época da Reionização se desenrolava. Isto poderá revelar informações novas e críticas sobre as primeiras estrelas, os blocos de construção do Universo que vemos hoje. Mas observar qualquer vislumbre deste sinal daquela época é uma tarefa difícil que requer instrumentos com sensibilidade requintada.

Quando começou a operar em 2013, o MWA totalizava 2.048 antenas de rádio dispostas no interior remoto da Austrália Ocidental. As antenas são agrupadas em 128 "blocos", cujos sinais são combinados por um supercomputador chamado "Correlator". Em 2016, o número de blocos duplicou para 256 e a sua configuração na paisagem foi alterada para melhorar a sua sensibilidade ao sinal do hidrogênio neutro.

O hidrogênio neutro emite radiação no comprimento de onda dos 21 centímetros. À medida que o Universo se expandia nos últimos 12 bilhões de anos, o sinal da Época da Reionização foi esticado até cerca de 2 metros e é isso que os astrônomos do MWA estão à procura. O problema é que existem inúmeras outras fontes que emitem no mesmo comprimento de onda, fontes criadas pelo Homem, como televisão digital, bem como fontes naturais da Via Láctea e de milhões de outras galáxias.

Todas estas outras fontes são muitas ordens de magnitude mais fortes do que o sinal que está sendo detectado. Mesmo um sinal de rádio FM refletido por um avião que coincidentemente passa por cima do telescópio é suficiente para contaminar os dados.

Para detectar o sinal, os pesquisadores usam uma infinidade de técnicas de processamento para eliminar estes contaminantes. Ao mesmo tempo, têm que ter em conta as respostas de frequência únicas do próprio telescópio.

Estas técnicas de análise combinadas com a capacidade expandida do próprio telescópio resultaram num novo limite superior da força do sinal da Época da Reionização. É a segunda análise consecutiva do melhor limite até ao momento a ser divulgada pelo MWA e aumenta a esperança de que a experiência um dia detecte o sinal elusivo da Época da Reionização.

Um artigo será publicado brevemente na revista The Astrophysical Journal.

Fonte: Brown University

Nova medição da constante de Hubble altera a expansão do Universo

Cientistas da Universidade de Chicago fizeram uma nova medição da rapidez com que o Universo está se expandindo, usando um tipo de estrela totalmente diferente dos empreendimentos anteriores.

© Norval Glover (ilustração da medição da expansão do Universo usando gigantes vermelhas)

Este valor cai no centro de uma questão muito debatida em astrofísica que pode exigir um modelo inteiramente novo do Universo.

Os cientistas sabem há quase um século que o Universo está se expandindo, mas o valor exato de quão rápido está crescendo teima em manter-se elusivo. Em 2001, a professora Wendy Freedman liderou uma equipe que usou estrelas distantes para fazer uma medição histórica deste valor, ou seja, a constante de Hubble, mas não está de acordo com outra medição importante, e a tensão entre os dois números tem persistido mesmo quando cada lado faz leituras cada vez mais precisas.

Os astrônomos efetuaram uma nova medição da constante de Hubble usando uma classe estelar conhecida como gigante vermelha. As suas observações, feitas com o telescópio espacial Hubble, indicam que o ritmo de expansão do nosso canto do Universo é ligeiramente inferior a 70 km/s/Mpc (quilômetros por segundo por megaparsec), um pouco menos que a sua medição anterior.

A constante de Hubble é o parâmetro cosmológico que define a escala, o tamanho e a idade do Universo; é uma das formas mais diretas que temos de quantificar como o Universo evolui. A constante de Hubble é assim chamada em homenagem ao astrônomo pioneiro Edwin Hubble, sustenta tudo no Universo, desde a nossa estimativa de quando o Big Bang teve lugar até à quantidade de matéria escura existente. Ajuda os cientistas a esboçar uma teoria da história e estrutura do Universo; e, inversamente, se existirem falhas nesta teoria, uma medição precisa da constante de Hubble pode ajudar à sua detecção.

Há vinte anos, a equipe do Hubble Space Telescope Key Project, liderada por Freedman, anunciou que tinha medido o valor usando estrelas distantes chamadas Cefeidas, que pulsam em intervalos regulares. O seu programa concluiu que o valor da constante de Hubble era de 72 km/s/Mpc. À medida que os astrônomos refinavam as suas análises e recolhiam novos dados, este número permaneceu relativamente estável, em aproximadamente 73 km/s/Mpc.

Mas, mais recentemente, os cientistas adotaram uma abordagem muito diferente: a construção de um modelo baseado na estrutura ondulante da luz remanescente dos primeiros momentos do Big Bang, chamada Radiação Cósmica de Fundo em Micro-ondas (CMB - Cosmic Microwave Background). Se corressem um modelo para a frente no tempo, extrapolando os primeiros momentos do Universo, alcançavam um valor de 67 km/s/Mpc. Este desacordo é significativo, quase 10%, e continuou a solidificar-se com o tempo.

Uma parte central do desafio em medir o Universo é que é muito difícil calcular com precisão as distâncias de objetos distantes. A equipe de Freedman analisou originalmente dois tipos de estrelas que possuem características confiáveis que permitem usá-las em combinação com medições cosmológicas: as supernovas do Tipo Ia, que explodem com um brilho uniforme; e as variáveis Cefeidas, estrelas que pulsam em intervalos regulares que podem ser combinados com os seus picos de brilho. Mas ainda é possível que exista algo sobre as cefeidas que os cientistas ainda não tenham entendido completamente, o que pode estar gerando erros.

A equipe de Freedman procurou verificar os seus resultados estabelecendo um caminho novo e inteiramente independente para a constante de Hubble usando um tipo de estrela totalmente diferente.

Certas estrelas terminam as suas vidas como um tipo de estrela muito luminosa chamada gigante vermelha. A certo ponto, a estrela sofre um evento catastrófico chamado flash de hélio, no qual a temperatura sobe para cerca de 100 milhões K e a estrutura da estrela é rearranjada, o que acaba diminuindo dramaticamente a sua luminosidade (isto acontecerá um dia com o nosso próprio Sol, que também se tornará numa gigante vermelha). Os astrônomos podem ver o ponto onde todas as luminosidades das estrelas caem, e podem usar isso como uma maneira de determinar a distância.

Sabendo a distância de uma galáxia é possível verificar a rapidez com que esta galáxia se afasta de nós, que é o resultado da sua distância vezes a constante de Hubble. Felizmente, a velocidade de uma galáxia é fácil de medir, a luz que vem das galáxias muda dependendo da rapidez com que a galáxia se afasta de nós.

Os novos cálculos forneceram uma constante de Hubble de 69,8 km/s/Mpc, no meio dos valores previamente determinados.

O método da gigante vermelha é independente das cefeidas e é incrivelmente preciso. As estrelas usadas são de menor massa, têm diferentes histórias evolutivas e estão localizadas em diferentes regiões de galáxias distantes.

Estes resultados sugerem que ainda não temos a resposta final sobre a certeza do modelo padrão da cosmologia.

O novo artigo será publicado em breve na revista The Astrophysical Journal.

Fonte: Univerity of Chicago

Novo método pode resolver a dificuldade de medir a expansão do Universo

Astrônomos demonstraram como uma combinação de observações de ondas gravitacionais e rádio, juntamente com uma modelagem teórica, pode transformar as fusões de pares de estrelas de nêutrons numa "régua cósmica" capaz de medir a expansão do Universo e resolver uma questão pendente sobre o seu ritmo.

© NRAO (ilustração do surto de ondas gravitacionais)

Os astrônomos usaram o VLBA (Very Long Baseline Array), o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) e o GBT (Robert C. Byrd Green Bank Telescope) para estudar as consequências da colisão de duas estrelas de  nêutrons que produziram ondas gravitacionais detectadas em 2017. Este evento fornece uma nova maneira de medir o ritmo de expansão do Universo, conhecido como a Constante de Hubble. O ritmo de expansão do Universo pode ser usado para determinar o seu tamanho e idade, além de servir como uma ferramenta essencial para interpretar observações de objetos em outras partes do Universo.

Dois métodos principais de determinação da Constante de Hubble usam as características da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, radiação remanescente do Big Bang, ou o tipo Ia específico de explosões de supernova no Universo distante. No entanto, estes dois métodos fornecem resultados diferentes.

A técnica é semelhante à que usa explosões de supernova. Pensa-se que as explosões de supernova do tipo Ia tenham todas um brilho intrínseco que pode ser calculado com base na velocidade com que crescem e diminuem de brilho. A medição deste brilho, a partir da Terra, indica-nos a distância da explosão de supernova. A medição do desvio Doppler da luz da galáxia hospedeira indica a velocidade a que a galáxia se está afastando da Terra. A velocidade, dividida pela distância, produz a constante de Hubble. Para obter um valor preciso, têm que ser efetuadas muitas medições a distâncias diferentes.

Quando duas estrelas de  nêutrons colidem, produzem uma explosão e um surto de ondas gravitacionais. A forma do sinal da onda gravitacional diz aos cientistas quão "brilhante" foi este surto de ondas gravitacionais. A medição da intensidade das ondas gravitacionais recebidas na Terra, pode fornecer a distância.

No entanto, há uma reviravolta. A intensidade das ondas gravitacionais varia com a sua orientação em relação ao plano orbital das duas estrelas de  nêutrons. As ondas gravitacionais são mais fortes na direção perpendicular ao plano orbital e mais fracas se o plano orbital estiver de lado, visto da perspetiva da Terra.

Durante um período de meses, os astrônomos usaram os radiotelescópios para medir o movimento de um jato rápido de material ejetado da explosão. Estas medições foram usadas juntamente com simulações hidrodinâmicas detalhadas, para determinar o ângulo de orientação, permitindo assim a utilização das ondas gravitacionais para descobrir a distância.

Os cientistas dizem que esta única medição, de um evento a cerca de 130 milhões de anos-luz da Terra, ainda não é suficiente para resolver a incerteza, mas a técnica agora pode ser aplicada a futuras fusões de estrelas de  nêutrons detectadas com ondas gravitacionais.

Os resultados foram divulgados num artigo publicado na revista Nature Astronomy.

Fonte: National Radio Astronomy Observatory

Encontradas moléculas eletricamente carregadas no espaço

Usando o telescópio espacial Hubble, cientistas confirmaram a presença de moléculas eletricamente carregadas no espaço em forma de "bolas de futebol", elucidando os misteriosos conteúdos do meio interestelar.

© NASA/JPL-Caltech (ilustração de bucky-bolas no espaço)

Dado que as estrelas e os planetas se formam a partir de nuvens de gás e poeira no espaço, "o meio interestelar difuso pode ser considerado como o ponto de partida para os processos que finalmente dão origem a planetas e à vida. Assim, a identificação completa do seu conteúdo fornece informações sobre os ingredientes disponíveis para criar estrelas e planetas," disse Martin Cordiner da Universidade Católica da América, em Washington.

As moléculas identificadas por Cordiner e pela sua equipe são uma forma de carbono chamada "Buckminsterfulereno", que consistem em 60 átomos de carbono (C60) dispostos numa esfera oca. O C60 já foi encontrado em alguns casos raros na Terra, em rochas e em minerais, e também pode aparecer em fuligem de combustão a altas temperaturas.

O C60 também já foi visto no espaço. No entanto, esta é a primeira vez que a sua versão eletricamente carregada (ionizada) foi confirmada como presente no meio interestelar difuso. O C60 torna-se ionizado quando a luz ultravioleta das estrelas arranca um elétron da molécula, dando ao C60 uma carga positiva (C60+). "O meio interestelar difuso era historicamente considerado um ambiente demasiado rigoroso e tênue para a ocorrência de uma abundância apreciável de moléculas grandes," explicou Cordiner. "Antes da detecção do C60, as maiores moléculas conhecidas no espaço tinham apenas 12 átomos de tamanho. A nossa confirmação do C60+ mostra quão complexa a astroquímica pode ser, mesmo nos ambientes de densidade mais baixa, os mais fortemente irradiados por radiação ultravioleta na Galáxia."

A vida como a conhecemos é baseada em moléculas contendo carbono e esta descoberta mostra que as moléculas complexas de carbono podem formar-se e sobreviver no ambiente hostil do espaço interestelar. "De certa forma, a vida pode ser considerada como o expoente máximo da complexidade química," salientou Cordiner. "A presença do C60 demonstra inequivocamente um alto nível de complexidade química intrínseca aos ambientes espaciais e aponta para uma forte probabilidade de outras moléculas extremamente complexas, portadoras de carbono, surgirem espontaneamente no espaço."

A maior parte do meio interestelar é hidrogênio e hélio, mas tem muitos compostos que ainda não foram identificados. Dado que o espaço interestelar é tão remoto, os cientistas estudam como afeta a luz de algumas estrelas distantes para identificar o seu conteúdo. À medida que a luz estelar passa pelo espaço, os elementos e os compostos do meio interestelar absorvem e bloqueiam certas cores (comprimentos de onda) da luz. Quando os cientistas analisam a luz estelar, separando-a nas suas cores componentes (espectro), as cores que foram absorvidas parecem escuras ou ausentes. Cada elemento ou composto tem um padrão de absorção único que age como uma impressão digital, permitindo com que seja identificado. No entanto, alguns padrões de absorção do meio interestelar cobrem uma gama mais ampla de cores, que parecem diferentes de qualquer átomo ou molécula conhecida na Terra. Estes padrões de absorção são chamados de Bandas Interestelares Difusas (BIDs). A sua identidade permanece um mistério desde que foram descobertas por Mary Lea Heger, que publicou observações das duas primeiras BIDs em 1922.

Uma BID pode ser atribuída encontrando uma correspondência precisa com a impressão digital de absorção de uma substância em laboratório. No entanto, existem milhões de diferentes estruturas moleculares para testar, e levaria gerações para testá-las todas.

"Hoje, conhecemos mais de 440 BIDs, mas (além das poucas recém-atribuídas ao C60+) nenhuma foi identificada conclusivamente," realçou Cordiner. "Em conjunto, o aspeto das BIDs indica a presença de uma grande quantidade de moléculas ricas em carbono no espaço, algumas das quais podem eventualmente participar da química que dá origem à vida. No entanto, a composição e as características deste material permanecerão desconhecidas até que as BIDs restantes sejam atribuídas."

Décadas de estudos de laboratório não conseguiram encontrar uma correspondência precisa com quaisquer BIDs até este trabalho sobre o C60+. No novo trabalho, os pesquisadores conseguiram igualar o padrão de absorção do C60+ em laboratório com as observações do meio interestelar do Hubble, confirmando a designação feita recentemente por uma equipe da Universidade de Basel, Suíça, cujos estudos de laboratório forneceram os dados do C60+ necessários para comparação. O grande problema da detecção do C60+, usando telescópios terrestres convencionais, é que o vapor de água atmosférico bloqueia a nossa visão do padrão de absorção do C60+. No entanto, orbitando acima da maior parte da atmosfera, o telescópio espacial Hubble tem uma vista clara e desobstruída. No entanto, os cientistas ainda tiveram que puxar o Hubble muito além dos seus limites normais de sensibilidade para ter uma hipótese de detectar as impressões digitais fracas do C60+.

As estrelas observadas eram todas supergigantes azuis, localizadas no plano da Via Láctea. O material interestelar da Via Láctea está localizado principalmente num disco relativamente plano, de modo que as linhas de visão das estrelas no plano Galáctico atravessam as maiores quantidades de matéria interestelar e, portanto, mostram as características de absorção mais fortes devido às moléculas interestelares.

A detecção do C60+ no meio interestelar difuso suporta as expetativas da equipe de que as moléculas muito grandes e carregadas de carbono são candidatas prováveis a explicar muitas das BIDs não identificadas. Isto sugere que os futuros esforços de laboratório devem medir os padrões de absorção de compostos relacionados com o C60+, a fim de ajudar a identificar algumas das restantes BIDs.

A equipe está tentando detectar C60+ em mais ambientes para ver como tais moléculas estão disseminadas no Universo. De acordo com Cordiner, com base nas suas observações até agora, parece que o C60+ está muito difundido na Galáxia.

Um artigo foi publicado na revista The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: NASA

Supernovas primordiais lançaram jatos de material em galáxias próximas

As primeiras estrelas do Universo eram extremamente quentes e incrivelmente grandes, muitas vezes atingindo centenas de vezes a massa do Sol.

© Melanie Gonick (simulação do aparecimento das primeiras supernovas do Universo)

Esta simulação mostra como as primeiras supernovas do Universo podem ter surgido. O instantâneo acima, que mostra a forma da supernova 50 segundos após sua explosão inicial, destaca dois poderosos jatos que expelem elementos pesados como zinco (pontos verdes) para o espaço.

Estas estrelas se formaram apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, estas gigantes ferventes não continham virtualmente nenhum elemento mais pesado que hidrogênio e hélio, que eram os únicos materiais prontamente disponíveis na época. Mas devido à sua estatura considerável, as primeiras estrelas também viveram rápido e morreram duramente, durando apenas alguns milhões de anos antes de explodirem como supernovas poderosas.

Quando estas primeiras estrelas rapidamente queimaram seu combustível, forjaram elementos mais leves em elementos mais pesados, como carbono, ferro e zinco. Então, durante a dramática agonia da morte, elas lançaram seus constituintes ao espaço, semeando a próxima geração de estrelas com elementos pesados. E embora os astrônomos ainda não tenham detectado diretamente nenhuma destas primeiras gigantes, eles encontraram evidências de sua existência.

Agora, uma nova pesquisa sugere que estas estrelas em chamas eram especiais por outro motivo: quando explodiram, elas não saíram como supernovas esféricas normais. Em vez disso, as explosões ostentaram jatos violentos que expeliram material a mais de 145 milhões de quilômetros por hora, ou cerca de 13% da velocidade da luz. Estes jatos permitiram que alguns dos elementos pesados ​​(chamados metais) presos dentro das estrelas pudessem chegar às galáxias vizinhas, incluindo a incipiente Via Láctea.

"Esta é a primeira evidência observacional de que uma supernova assimétrica ocorreu no início do Universo," disse Rana Ezzeddine, do Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Para realizar o estudo, os pesquisadores usaram o Cosmic Origins Spectrograph no telescópio espacial Hubble para investigar uma estrela peculiar conhecida como HE 1327-2326, localizada a cerca de 5.000 anos-luz de distância da Terra, no halo da Via Láctea. Enquanto as primeiras estrelas são chamadas de estrelas da População III, a HE 1327-2326 é um membro da próxima geração, chamada de estrelas da População II. Como as estrelas da População III, as estrelas da População II contêm uma relativa escassez de elementos pesados; no entanto, elas contêm alguns.

"As estrelas menores que se formaram como a segunda geração ainda estão disponíveis hoje, e preservam o material primitivo deixado por estas primeiras estrelas," disse a física Anna Frebel, do MIT, que descobriu a HE 1327-2326 em 2005. "A HE 1327-2326 tem apenas uma pitada de elementos mais pesados ​​que o hidrogênio e o hélio, por isso sabemos que ela deve ter se formado como parte da segunda geração de estrelas.”

Neste caso, "uma pitada" pode ser um exagero. Até 2014, a HE 1327-2326 detinha o título de estrela com a mais baixa abundância conhecida de ferro, um indicador comum da quantidade total de metal em uma estrela. De fato, a HE 1327-2326 contém várias centenas de milhares de vezes menos ferro relativo que o Sol.

Mas, apesar de sua deficiência de ferro, os pesquisadores descobriram que a HE 1327-2326 tem uma quantidade surpreendente de zinco. Os pesquisadores realizaram dezenas de milhares de simulações de estrelas da População III explodindo e semeando a próxima geração de estrelas. Embora houvesse uma série de simulações de supernovas esféricas que reproduzissem com precisão o teor de ferro extremamente baixo visto na HE 1327-2326, nenhuma delas foi capaz de replicar o sinal de zinco observado. Isso efetivamente eliminou a possibilidade de que uma supernova esférica alimentasse de zinco extra a HE 1327-2326.

Em vez disso, eles concluíram que a única maneira provável pela qual a HE 1327-2326 só poderia ter adquirido tanto zinco, embora tendo ao mesmo tempo tão pouco ferro, é se a estrela da População III original explodisse assimetricamente, lançando seu zinco com jatos tremendamente poderosos.

Mas estas supernovas da População III não são apenas especiais porque geraram jatos, elas também deram um impacto maior do que a maioria das supernovas que vemos hoje. "Descobrimos que esta primeira supernova foi muito mais enérgica do que se pensava antes, cerca de cinco a dez vezes mais," disse Ezzeddine. "Na verdade, a idéia anterior da existência de uma supernova mais fraca para explicar as estrelas de segunda geração pode em breve precisar ser retirada."

“A hipótese de trabalho é: talvez estrelas de segunda geração deste tipo se formem nestes sistemas virgens poluídos, e não no mesmo sistema que a própria explosão de supernova, que é sempre o que assumimos, sem pensar de outra maneira,” disse Frebel. "Então, isto está abrindo um novo canal para a formação inicial de estrelas."

A nova pesquisa foi publicada no periódico The Astrophysical Journal.

Fonte: Astronomy