As galáxias morrem mais cedo do que o previsto

Durante muito tempo, os cientistas pensaram que, no Universo primitivo, apenas se observariam galáxias com formação estelar ativa.

© NASA (espectros da galáxia RUBIES-UDS-QG-z7)

Três espectros obtidos pelo NIRSpec sobrepostos a uma imagem obtida pelo NIRCam, dois instrumentos a bordo do telescópio espacial James Webb. A galáxia analisada é mostrada no meio. Aparece em vermelho na imagem e o seu espectro diminui para a esquerda (comprimentos de onda curtos). Para comparação, os espectros em cima e em baixo, em azul e violeta, mostram galáxias típicas com formação estelar num momento semelhante da história cósmica.

O telescópio espacial James Webb revela agora que as galáxias deixaram de formar estrelas mais cedo do que se esperava. Uma descoberta recente que aprofunda a tensão entre os modelos teóricos da evolução cósmica e as observações reais. 

Entre centenas de espectros obtidos com o programa RUBIES do Webb, foi encontrada uma galáxia recorde que já tinha parado de formar estrelas durante uma época em que as galáxias estão normalmente crescendo muito rapidamente. Nos primórdios do Universo, uma galáxia típica acreta gás do meio intergaláctico circundante e transforma este gás em estrelas. Este processo aumenta a sua massa, levando a uma captura de gás ainda mais eficiente e a uma formação estelar acelerada. 

No entanto, as galáxias não crescem indefinidamente, devido ao processo de "extinção". No Universo local, cerca de metade das galáxias observadas deixaram de formar estrelas, ou seja, extinguiram-se e deixaram de crescer. São referidas como galáxias quiescentes, extintas ou "vermelhas e mortas". Aparecem vermelhas porque já não contêm estrelas azuis jovens e brilhantes, apenas restam estrelas vermelhas mais velhas e menores. Uma fração particularmente elevada de galáxias quiescentes é encontrada entre as galáxias massivas, que são frequentemente observadas como tendo morfologias elípticas. Normalmente, a formação destas galáxias vermelhas e mortas demora muito tempo, porque têm de acumular um grande número de estrelas antes de o processo de formação estelar ser finalmente interrompido. O que realmente causa a extinção nas galáxias é ainda um grande enigma.

A procura de galáxias quiescentes tem sido um objetivo importante dos astrônomos desde há anos. Com o avanço da tecnologia, em particular a espectroscopia no infravermelho próximo, foi confirmada a existência de galáxias massivas quiescentes (GMQs) em épocas cósmicas cada vez mais precoces. A sua abundância inferida tem sido difícil de conciliar com os modelos teóricos de formação galáctica, que preveem que tais sistemas deveriam demorar mais tempo a formar-se. 

Com o telescópio espacial James Webb, esta tensão foi levada até um desvio para o vermelho de 5 (1,2 bilhões de anos após o Big Bang), onde várias GMQs foram confirmadas nos últimos anos. Entre estes novos espectros, os cientistas identificaram a galáxia massiva quiescente mais distante encontrada até à data, com um desvio para o vermelho espectroscópico de 7,29, apenas ~700 milhões de anos após o Big Bang. 

O espectro do NIRSpec/PRISM revela uma população estelar surpreendentemente antiga num Universo tão jovem. A modelação detalhada do espectro e dos dados de imagem mostram que a galáxia formou uma massa de mais de 10 bilhões de sóis nos primeiros 600 milhões de anos após o Big Bang, antes de cessar rapidamente a formação estelar, confirmando assim a sua natureza quiescente. 

A descoberta desta galáxia, designada RUBIES-UDS-QG-z7, implica que as galáxias massivas quiescentes nos primeiros bilhões de anos do Universo são mais de 100 vezes mais abundantes do que o previsto por qualquer modelo até à data. Isto, por sua vez, sugere que fatores primordiais nos modelos teóricos (por exemplo, os efeitos dos ventos estelares e a força dos fluxos alimentados pela formação de estrelas e buracos negros massivos) podem ter de ser revistos. As galáxias morreram muito mais cedo do que estes modelos podem prever. 

Finalmente, a pequena dimensão física de RUBIES-UDS-QG-z7, medida em apenas ~650 anos-luz, implica uma elevada densidade de massa estelar comparável às maiores densidades centrais observadas em galáxias quiescentes com desvios para o vermelho ligeiramente inferiores (z~2-5). Estas galáxias são susceptíveis de evoluir para os núcleos das galáxias elípticas mais antigas e mais massivas do Universo local.

A descoberta de RUBIES-UDS-QG-z7 fornece a primeira forte evidência de que os centros de algumas galáxias elípticas massivas próximas podem já ter existido desde as primeiras centenas de milhões de anos do Universo.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal.

Fonte: Université de Genève

Hickson 44 na constelação de Leão

Ao escanear os céus em busca de galáxias, o astrônomo canadense Paul Hickson e colegas identificaram cerca de 100 grupos compactos de galáxias, agora apropriadamente chamados de Grupos Compactos Hickson.

© Jiang Wu (Hickson 44)

As quatro galáxias proeminentes vistas nesta intrigante paisagem telescópica são um desses grupos, Hickson 44. O grupo de galáxias está a cerca de 100 milhões de anos-luz de distância, muito além das estrelas pontiagudas da Via Láctea em primeiro plano, em direção à constelação de Leão.

As duas galáxias espirais no centro da imagem são NGC 3190 de perfil com suas faixas de poeira distintas e distorcidas, e NGC 3187 em forma de S. Junto com a brilhante elíptica, NGC 3193 (acima e à esquerda), elas também são conhecidas como Arp 316. A espiral em direção ao canto inferior direito é NGC 3185, o quarto membro do grupo Hickson. 

Como outras galáxias em grupos de Hickson, estas mostram sinais de distorção e formação estelar aprimorada, evidência de um cabo de guerra gravitacional que eventualmente resultará em fusões de galáxias em uma escala de tempo cósmica. O processo de fusão é agora compreendido como uma parte normal da evolução das galáxias, incluindo a nossa própria Via Láctea. 

Para efeito de escala, NGC 3190 tem cerca de 75.000 anos-luz de diâmetro na distância estimada de Hickson 44.

Fonte: NASA

Um buraco negro fornecendo a taxa de formação estelar em galáxia

Esta imagem obtida pelo telescópio espacial Hubble apresenta a pitoresca galáxia espiral NGC 4941, que fica a cerca de 67 milhões de anos-luz da Terra na constelação de Virgem.

© Hubble (NGC 4941)

Como esta galáxia está próxima, cosmicamente falando, os instrumentos aguçados do Hubble são capazes de captar detalhes requintados, como aglomerados de estrelas individuais e nuvens filamentosas de gás e poeira. Os dados usados para construir esta imagem foram coletados como parte de um programa de observação que investiga a formação de estrelas e o ciclo de retorno de estrelas em galáxias próximas.

À medida que as estrelas se formam em aglomerados densos e frios de gás, elas começam a influenciar seus arredores. As estrelas aquecem e agitam as nuvens de gás nas quais nascem por meio de ventos, luz estelar e eventualmente, para estrelas massivas explodindo como supernovas.

Esses processos são chamados coletivamente de feedback estelar e afetam a taxa na qual uma galáxia pode formar novas estrelas. Acontece que as estrelas não são as únicas entidades fornecendo feedback em NGC 4941. No coração desta galáxia está um núcleo galáctico ativo: um buraco negro supermassivo se alimentando de gás. À medida que o buraco negro acumula gás de seus arredores, o gás gira em um disco superaquecido que brilha intensamente em comprimentos de onda em todo o espectro eletromagnético.

Semelhante às estrelas, mas em uma escala muito maior, os núcleos galácticos ativos moldam suas proximidades por meio de ventos, radiação e jatos poderosos, alterando não apenas a formação de estrelas, mas também a evolução da galáxia como um todo.

Fonte: ESA

Nova forma de encontrar buracos negros escondidos no Universo primitivo

Uma equipe internacional de investigação liderada pelo professor Ken-ichi Tadaki da Universidade Hokkai-Gakuen, no Japão, fez uma descoberta inovadora utilizando o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array).

© K. Tadaki (intensa radiação proveniente de buraco negro)

A equipe captou sinais de rádio de alta resolução sem precedentes do gás quente que rodeia um buraco negro supermassivo. Esta técnica de observação inovadora promete revelar buracos negros escondidos que se formaram durante os primeiros estágios do Universo. O buraco negro supermassivo está localizado a 12,9 bilhões de anos-luz de distância e tem uma massa superior a um bilhão de vezes a do Sol.

Os quasares estão entre os objetos mais brilhantes do Universo, alimentados por buracos negros supermassivos que geram uma energia intensa à medida que consomem a matéria circundante. A análise das regiões mais internas dos quasares distantes tem sido um desafio, apesar do seu brilho. 

Neste estudo inovador, os pesquisadores concentraram-se nos sinais de rádio emitidos por moléculas de monóxido de carbono (CO) altamente energizadas. As observações de altíssima resolução revelaram, pela primeira vez, os mecanismos de aquecimento que afetam o gás a apenas algumas centenas de anos-luz do buraco negro. A deteção de fortes emissões de CO a altos níveis energéticos indica condições de gás extraordinariamente quentes em torno do buraco negro.

Embora a radiação ultravioleta das estrelas recém-formadas aqueça tipicamente o gás nas regiões de formação estelar, as condições extremas observadas não podem ser explicadas apenas pela atividade estelar. A pesquisa aponta para os poderosos raios X que emanam do disco de acreção e da coroa do buraco negro como a principal fonte de aquecimento. Estes raios X podem elevar as temperaturas do gás muito para além dos níveis observados nas típicas regiões de formação estelar.

Além disso, a equipe encontrou evidências de que os poderosos ventos do quasar e as ondas de choque contribuem ainda mais para este aquecimento extremo, demonstrando que a região central do quasar representa um dos ambientes mais dinâmicos do cosmos. Esta descoberta tem implicações significativas para a nossa compreensão das populações de buracos negros no Universo primitivo.

Os quasares orientados com linhas de visão relativamente claras aparecem excepcionalmente brilhantes no visível e em raios X. No entanto, se o quasar for visto através de uma camada muito mais espessa de poeira cósmica, a luz visível e os raios X podem ser bloqueados, fazendo com que fique "escondido". Muitos buracos negros supermassivos podem estar escondidos em regiões poeirentas do Universo primitivo, simplesmente sem serem detectados. Como as ondas de rádio observadas pelo ALMA não são facilmente absorvidas pela poeira, esta técnica torna-se uma ferramenta poderosa para descobrir estes buracos negros supermassivos escondidos.

Ao aplicar observações semelhantes de alta resolução de emissões energéticas de CO em outros objetos, os astrônomos esperam desenvolver um censo mais abrangente de buracos negros supermassivos primitivos e obter conhecimentos cruciais sobre a sua formação e evolução.

Um artigo foi publicado na revista Nature Astronomy.

Fonte: National Astronomical Observatory of Japan

Galáxia no nevoeiro misteriosamente limpo do Universo primitivo

Utilizando a sensibilidade única ao infravermelho do telescópio espacial James Webb, foi possível examinar galáxias antigas para sondar os segredos do Universo primitivo.

© NASA (localização da galáxia JADES-GS-z13-1)

Agora, astrônomos identificaram emissões brilhantes de hidrogênio de uma galáxia num período inesperadamente precoce da história do Universo. A descoberta surpreendente propõe o desafio: como é que esta luz pode ter atravessado a espessa névoa de hidrogênio neutro que preenchia o espaço nesse momento?

A extraordinária sensibilidade do Webb à luz infravermelha abre também novas vias de investigação sobre quando e como estas galáxias se formaram, e os seus efeitos no Universo na aurora cósmica. O Webb descobriu a galáxia incrivelmente distante JADES-GS-z13-1, observada apenas 330 milhões de anos após o Big Bang, em imagens obtidas pelo instrumento NIRCam (Near-Infrared Camera) do Webb no âmbito do programa JADES.

Os pesquisadores utilizaram o brilho da galáxia em diferentes filtros infravermelhos para estimar o seu desvio para o vermelho, que mede a distância de uma galáxia à Terra com base na forma como a sua luz foi esticada durante a sua viagem através do espaço em expansão. As imagens do NIRCam produziram uma estimativa de um desvio para o vermelho de 13. Isto equivale a uma galáxia vista apenas 330 milhões de anos após o Big Bang, uma pequena fração da idade atual do Universo, que é de 13,8  bilhões de anos.

Mas também se destacou uma característica inesperada: um comprimento de onda de luz específico e nitidamente brilhante, identificado como a emissão Lyman-α irradiada por átomos de hidrogênio, uma emissão muito mais forte nesta fase inicial do desenvolvimento do Universo. O Universo primitivo estava banhado por uma espessa névoa de hidrogênio neutro. A maior parte desta névoa foi levantada num processo chamado reionização, que se completou cerca de um bilhão de anos após o Big Bang.

Antes e durante a época da reionização, o imenso nevoeiro de hidrogênio neutro que rodeava as galáxias bloqueava qualquer luz ultravioleta energética que estas emitissem, tal como o efeito de filtragem de um vidro colorido. Até que um número suficiente de estrelas se formou e foi capaz de ionizar o gás hidrogênio, nenhuma luz, incluindo a emissão de Lyman-α, poderia escapar destas novas galáxias e chegar à Terra. A confirmação da radiação Lyman-α desta galáxia tem, portanto, grandes implicações para a nossa compreensão do Universo primitivo.

A fonte da radiação Lyman-α desta galáxia ainda não é conhecida, mas pode incluir a primeira luz da primeira geração de estrelas se formando no Universo. A grande bolha de hidrogênio ionizado que rodeia esta galáxia pode ter sido criada por uma população peculiar de estrelas, muito mais massivas, mais quentes e mais luminosas do que as estrelas formadas em épocas posteriores, e possivelmente representativa da primeira geração de estrelas. Outra possibilidade seria um poderoso núcleo galáctico ativo, impulsionado por um dos primeiros buracos negros supermassivo.

A equipe planeja continuar as observações da GS-z13-1, com o objetivo de obter mais informações sobre a natureza desta galáxia e sobre a origem da sua forte radiação Lyman-α.

Um artigo foi publicado na revista Nature.

Fonte: University of Cambridge

As auroras de Netuno foram captadas pela primeira vez

Pela primeira vez, o telescópio espacial James Webb captou uma brilhante atividade auroral em Netuno.

© NASA (aurora em Netuno)

As auroras ocorrem quando partículas energéticas, muitas vezes provenientes do Sol, ficam presas no campo magnético de um planeta e eventualmente atingem a atmosfera superior. A energia liberada durante estas colisões cria o brilho característico.

No passado, os astrônomos viram indícios tentadores de atividade auroral em Netuno, por exemplo, na passagem da Voyager 2 da NASA em 1989. No entanto, a obtenção de imagens e a confirmação das auroras em Netuno há muito que escapavam aos astrônomos, apesar das detecções bem-sucedidas em Júpiter, Saturno e Urano.

Para além da imagem do planeta, foi obtido um espectro para caracterizar a composição e a temperatura da atmosfera superior do planeta (a ionosfera). Pela primeira vez, foi encontrado uma linha de emissão extremamente proeminente que significa a presença do cátion trihidrogênio (H3+), que pode ser criado nas auroras. Nas imagens de Netuno pelo Webb, a aurora brilhante aparece como manchas representadas em ciano. O H3+ tem sido um sinal claro de atividade auroral em todos os gigantes gasosos: Júpiter, Saturno, Urano e agora em Netuno.

A atividade auroral observada em Netuno é também visivelmente diferente da que estamos habituados a ver aqui na Terra, ou mesmo em Júpiter ou Saturno. Em vez de estarem confinadas aos polos norte e sul do planeta, as auroras de Netuno estão localizadas nas latitudes médias geográficas do planeta, como se fosse a localização da América do Sul na Terra. Isto deve-se à estranha natureza do campo magnético de Netuno, originalmente descoberto pela Voyager 2 em 1989, que está inclinado 47 graus em relação ao eixo de rotação do planeta.

Uma vez que a atividade auroral se baseia onde os campos magnéticos convergem para a atmosfera do planeta, as auroras de Netuno estão longe dos seus polos de rotação. A detecção pioneira das auroras de Netuno vai ajudar-nos a compreender como o campo magnético de Netuno interage com as partículas que fluem do Sol para os confins distantes do nosso Sistema Solar, uma janela totalmente nova na ciência atmosférica dos gigantes gelados.

A partir das observações do Webb, foi medida a temperatura do topo da atmosfera de Netuno pela primeira vez desde o sobrevoo da Voyager 2. Os resultados sugerem a razão pela qual as auroras de Netuno permaneceram escondidas durante tanto tempo. A atmosfera superior de Netuno arrefeceu várias centenas de graus. Ao longo dos anos, os astrônomos têm previsto a intensidade das auroras de Netuno com base na temperatura registrada pela Voyager 2. Uma temperatura substancialmente mais fria resultaria em auroras muito mais fracas. Esta temperatura fria é provavelmente a razão pela qual as auroras de Netuno não foram detectadas durante tanto tempo. O arrefecimento dramático também sugere que esta região da atmosfera pode sofrer grandes alterações, apesar de o planeta se situar 30 vezes mais longe do Sol do que a Terra.

Os astrônomos esperam agora estudar Netuno com o Webb durante um ciclo solar completo, um período de 11 anos de atividade impulsionado pelo campo magnético do Sol. Os resultados poderão fornecer informações sobre a origem do bizarro campo magnético de Netuno e até explicar porque é que está tão inclinado.

Um artigo foi publicado na revista Nature Astronomy. 

Fonte: Space Telescope Science Institute

Revelados novos pormenores das erupções de Proxima Centauri

A pouco mais de quatro anos-luz, Proxima Centauri é a estrela que está mais perto do nosso Sol, conhecida por ser uma anã M muito ativa.

© NRAO (ilustração de uma erupção estelar na estrela Proxima Centauri)

As suas erupções são bem conhecidas dos astrônomos que utilizam comprimentos de onda visíveis da luz. No entanto, um novo estudo utilizando observações com o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) realça a atividade extrema desta estrela em comprimentos de onda rádio e no milimétrico, oferecendo informações excitantes sobre a natureza destas erupções, bem como sobre os potenciais impactos na habitabilidade dos seus planetas terrestres da zona habitável.

Conhecida por abrigar um planeta potencialmente habitável, a estrela exibe uma grande atividade no visível. Tal como as erupções do nosso Sol, estes surtos liberam energia em todo o espectro eletromagnético e partículas energéticas estelares. Dependendo da energia e da frequência destas erupções, os planetas na zona habitável podem tornar-se inabitáveis, uma vez que as erupções retiram às atmosferas planetárias ingredientes necessários, como o ozônio e a água.

Os astrônomos utilizaram dados de arquivo e novas observações do ALMA para estudar a atividade dos surtos nos comprimentos de onda milimétricos de Proxima Centauri. O pequeno tamanho da estrela e o seu forte campo magnético indicam que toda a sua estrutura interna é convectiva (ao contrário do Sol, que tem camadas convectivas e não convectivas), o que torna a estrela muito mais ativa. Os seus campos magnéticos ficam torcidos, desenvolvem tensão e acabam por se romper, enviando fluxos energéticos e partículas para o exterior naquilo que é observado como erupções.

A atividade do nosso Sol não remove a atmosfera da Terra e, em vez disso, provoca belas auroras porque temos uma atmosfera espessa e um forte campo magnético para proteger o nosso planeta. Mas as erupções de Proxima Centauri são muito mais poderosas e sabemos que tem planetas rochosos na zona habitável.

O que é que estas erupções estão fazendo às suas atmosferas? Haverá um fluxo tão grande de radiação e partículas que a atmosfera está sendo quimicamente modificada, ou talvez completamente destruída?

Esta pesquisa representa o primeiro estudo multicomprimento de onda que utiliza observações milimétricas para desvendar um novo olhar sobre a física das erupções. Combinando 50 horas de observações do ALMA, utilizando tanto o conjunto completo de 12 metros como o ACA (Atacama Compact Array) de 7 metros, foi registado um total de 463 eventos eruptivos com energias entre 1.024 e 1.027 erg, e com uma duração breve entre 3 e 16 segundos.

A equipe caracterizou a chamada distribuição de frequência das erupções da estrela para mapear o número de surtos em função da sua energia. Tipicamente, a inclinação desta distribuição tende a seguir uma função de lei de potência: as erupções menores (menos energéticas) ocorrem com mais frequência, enquanto as maiores e mais energéticas ocorrem com menos regularidade.

A Proxima Centauri tem tantas erupções que foram detectadas muitas dentro de cada intervalo de energia. Além disso, foi quantificada a assimetria das erupções mais energéticas da estrela, descrevendo como a fase de decaimento dos surtos era muito mais longa do que a fase inicial da explosão. As observações no rádio e nos comprimentos de onda milimétricos ajudam a determinar as energias associadas a estas explosões e às partículas.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal.

Fonte: National Radio Astronomy Observatory

Um alinhamento casual na constelação Lupus

A imagem obtida pelo telescópio espacial Hubble mostra a impressionante galáxia espiral NGC 5530.

© Hubble (NGC 5530)

A NGC 5530 está situada a 40 milhões de anos-luz de distância na constelação de Lupus (O Lobo). Esta galáxia é classificada como uma espiral "floculenta", o que significa que seus braços espirais são irregulares e indistintos.

Enquanto algumas galáxias têm centros extraordinariamente brilhantes onde hospedam um buraco negro supermassivo, a fonte brilhante perto do centro da NGC 5530 não é um buraco negro ativo, mas sim uma estrela dentro da nossa própria galáxia, a apenas 10 mil anos-luz da Terra. Este alinhamento casual dá a aparência de que a estrela está no coração denso da NGC 5530.

Se você tivesse apontado um telescópio caseiro para a NGC 5530 na noite de 13 de setembro de 2007, teria visto outro ponto brilhante de luz adornando a galáxia. Naquela noite, o astrônomo amador australiano Robert Evans descobriu uma supernova, chamada SN 2007IT, comparando a aparência da NGC 5530 através do telescópio a uma foto de referência da galáxia. Embora seja notável descobrir até mesmo uma supernova usando esse método meticuloso, Evans de fato descobriu mais de 40 supernovas dessa forma!

Essa descoberta em particular foi realmente fortuita: é provável que a luz da supernova tenha completado sua jornada de 40 milhões de anos até a Terra poucos dias antes da explosão ser descoberta.

Fonte: ESA