Trio de buracos negros ilumina-se numa rara fusão galáctica

Astrônomos confirmaram o primeiro sistema triplo conhecido em que todas as três galáxias abrigam buracos negros supermassivos.

© NRAO (ilustração de um raro trio de galáxias em fusão)

O sistema, catalogado como J1218/1219+1035 e localizado a cerca de 1,2 bilhões de anos-luz da Terra, contém três galáxias em interação, cujos buracos negros supermassivos centrais estão todos acretando ativamente material e brilhando intensamente no rádio.

Observações de alta resolução do VLA (Very Large Array) e do VLBA (Very Long Baseline Array) revelam um núcleo compacto e emitindo radiação de síncrotron em cada galáxia, confirmando que as três possuem NGAs (núcleos galácticos ativos) alimentados por buracos negros em crescimento. Este fato faz de J1218/1219+1035 o primeiro "NGA triplo no rádio" confirmado e apenas o terceiro sistema de NGA triplo conhecido no Universo próximo.

As três galáxias em J1218/1219+1035 foram apanhadas no ato de fusão, com separações nucleares de cerca de 22 e 97 mil anos-luz, formando um grupo dinamicamente ligado cujas características de maré traçam as suas interações mútuas. Estes sistemas triplos são uma previsão fundamental, mas raramente observada, da evolução hierárquica das galáxias, em que grandes galáxias como a Via Láctea crescem colidindo e fundindo-se repetidamente com companheiras menores.

Ao captar três buracos negros que se alimentam ativamente no mesmo grupo em fusão, as novas observações proporcionam um excelente laboratório para testar a forma como os encontros entre galáxias conduzem o gás para os centros galácticos e desencadeiam o crescimento dos buracos negros.

O objeto J1218/1219+1035 foi originalmente assinalado como um sistema incomum usando dados no infravermelho médio do WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) da NASA, que sugeriam a existência de pelo menos dois NGAs obscurecidos num par de galáxias em interação. A espetroscopia óptica de seguimento confirmou um NGA num núcleo e revelou uma assinatura "composta" em outro núcleo, mas deixou ambígua a verdadeira natureza da terceira galáxia, porque a sua emissão podia também resultar da formação estelar ou de choques. 

Só com as novas imagens nítidas do VLA no rádio, em frequências de 3, 10 e 15 GHz, é que os astrônomos descobriram núcleos de rádio compactos precisamente alinhados com as três galáxias ópticas, demonstrando que cada uma delas abriga um NGA que é brilhante em emissões de rádio e que provavelmente conduz jatos ou fluxos de pequena escala. Os espectros de rádio dos três núcleos mostram assinaturas consistentes com emissão de síncrotron não-térmico do NGA, incluindo duas fontes com espectros tipicamente íngremes e uma terceira com um espectro ainda mais íngreme que pode indicar atividade de jato não resolvida.

As observações do VLBA, embora não detectem um núcleo compacto à escala de milissegundos de arco, estabelecem um limite de brilho-temperatura para a galáxia central que excede o que se espera apenas da formação estelar, apoiando ainda mais uma origem NGA para a emissão rádio.

Para caracterizar J1218/1219+1035, a equipe utilizou o VLA na sua configuração A de mais alta resolução, obtendo imagens de subsegundo de arco em múltiplas frequências para isolar o núcleo rádio de cada galáxia. As observações complementares do VLBA em 4,9 GHz permitiram obter informações em escala de milissegundos sobre a compacidade e a temperatura de brilho da fonte central.

Estão planejadas imagens no infravermelho próximo e observações em raios X para mapear as estruturas de maré das galáxias com mais detalhe e sondar o fluxo altamente energético de cada AGN, construindo uma imagem mais completa deste raro sistema triplo. Com apenas dois outros sistemas confirmados de NGA triplo conhecidos localmente, expandir a amostra de tais objetos é crucial para compreender a frequência com que os buracos negros múltiplos interagem e acabam por se fundir.

A descoberta de J1218/1219+1035 realça o poder de combinar a seleção no infravermelho médio com imagens de rádio sensíveis e de alta resolução para descobrir sistemas complexos de NGAs que podem estar escondidos ou ser ambíguos nos comprimentos de onda óticos e de raios X. Os investigadores sugerem que os levantamentos futuros e o seguimento direcionado com instalações como o VLA e o VLBA serão essenciais para revelar mais NGAs triplos e rastrear a forma como os buracos negros triplos moldam o crescimento das galáxias ao longo do tempo cósmico.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: National Radio Astronomy Observatory

Descoberto um estranho exoplaneta que orbita um pulsar

Os pesquisadores descobriram um exoplaneta com uma atmosfera bizarra.

© STScI (ilustração de um exoplaneta e um pulsar)

Os cientistas catalogaram este exoplaneta como PSR J2322-2650b. Chama-se assim porque orbita um pulsar (estrela de nêutrons em rápida rotação) designado PSR J2322-2650, que fica na constelação de Sculptor.

Usando o telescópio espacial James Webb (JWST), a equipe determinou que o exoplaneta tem uma atmosfera exótica dominada por hélio e carbono, diferente de qualquer outra já vista antes. Tem uma massa aproximadamente igual a Júpiter, mas as nuvens de fuligem flutuam pelo ar; e, nas profundezas do planeta, essas nuvens de carbono podem se condensar para formar diamantes.

O exoplaneta orbita o pulsar a cada 7,8 horas a uma distância de apenas 1,6 milhão de quilômetros, pouco mais de 1% da distância da Terra do Sol. Além disso, a modelagem computacional das variações de brilho do planeta ao longo de sua órbita revelou que as forças gravitacionais do pulsar muito mais pesado estão distorcendo o PSR J2322-2650b na forma de um limão.

Como todos os pulsares, ele emite feixes de radiação de seus polos. Como ele gira, esses feixes varrem nosso campo de visão e fazem com que a estrela pareça pulsar em intervalos regulares, neste caso com apenas milissegundos de distância. A estrela está emitindo principalmente raios gama e outras partículas de alta energia, que são invisíveis para os sensores infravermelhos da JWST. Isso significa que os cientistas podem estudar o planeta em detalhe em toda a sua órbita. Isso geralmente é uma tarefa difícil, porque os planetas geralmente são milhões de vezes mais fracos do que as estrelas que orbitam.

Este sistema é único porque somos capazes de ver o planeta iluminado por sua estrela hospedeira, mas não vemos a estrela hospedeira. Assim, é possível obter um espectro realmente intocado, e estudar melhor esse sistema com mais detalhes do que os exoplanetas normais. Foram encontradas moléculas de carbono molecular, especificamente C3 e C2 no exoplaneta. No núcleo do planeta, submetido a uma pressão intensa, é possível que esse carbono possa ser espremido em diamantes. Mas, a questão maior é como tal planeta poderia ter se formado?

Isto pode ter sido gerado pelo emparelhamento de um pulsar com uma pequena estrela companheira de baixa massa. Normalmente, o material da companheira flui para o pulsar, fazendo com que ele gire mais rápido, o que alimenta um vento forte. Aquele vento somado à radiação do pulsar evaporam a estrela menor e menos massiva. Mas PSR J2322-2650b é um exoplaneta, não uma estrela.

O membro da equipe Roger Romani, de Stanford e do Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas e Cosmologia, é um dos especialistas proeminentes do mundo em sistemas de deste tipo. Ele propõe um fenômeno evocativo que poderia ocorrer na atmosfera única. “À medida que a companheira esfria, a mistura de carbono e oxigênio no interior começa a se cristalizar," teorizou Romani. “Cristais de carbono puros flutuam até o topo e se misturam ao hélio, e é isso que vemos. Mas então algo tem que acontecer para manter o oxigênio e o nitrogênio longe. E é aí que há controvérsia,” disse Romani.

Um artigo foi aceito para publicação no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: Astronomy

Celebrando o Ano Novo com o Aglomerado do Champanhe

Dê as boas-vindas ao Ano Novo com o Aglomerado do Champanhe, um aglomerado de galáxias visto aqui nesta nova imagem composta do observatório de raios X Chandra da NASA e de telescópios ópticos.

© Chandra / Legacy Surveys (Aglomerado do Champanhe)

Os astrônomos descobriram este aglomerado de galáxias em 31 de dezembro de 2020. A data, combinada com a aparência de bolha das galáxias e o gás superaquecido visto nas observações do Chandra (representado em roxo), inspirou os cientistas a apelidarem o objeto de Aglomerado do Champanhe, um nome muito mais fácil de memorizar do que a sua designação oficial RM J130558.9+263048.4.

A nova imagem composta mostra que o Aglomerado do Champanhe é, na realidade, dois aglomerados de galáxias em processo de fusão para formar um aglomerado ainda maior. O gás superaquecido nos aglomerados de galáxias assume normalmente uma forma aproximadamente circular ou moderadamente oval nas imagens, mas neste aglomerado está mais espalhado de cima para baixo, revelando a presença dos dois aglomerados em colisão.

Dois aglomerados de galáxias individuais que constituem os aglomerados em colisão podem ser vistos na parte superior e inferior do centro (a imagem foi girada 90 graus no sentido dos ponteiros do relógio, de modo que o norte aponta para a direita). O gás ultraquente ultrapassa a massa combinada de todas as mais de cem galáxias individuais do aglomerado recém-formado. Os aglomerados também contêm quantidades ainda maiores de matéria escura invisível, a substância misteriosa que permeia o Universo.

Para além dos dados do Chandra, esta nova imagem contém dados ópticos dos Legacy Surveys (vermelho, verde e azul), que consiste em três levantamentos individuais e complementares de vários telescópios no estado norte-americano do Arizona e no Chile.

O Aglomerado do Champanhe é membro de uma classe rara de aglomerados em fusão, que inclui o bem conhecido Aglomerado da Bala, onde o gás quente em cada aglomerado colidiu e abrandou, havendo uma separação clara entre o gás quente e a galáxia mais massiva em cada aglomerado.

Comparando os dados com simulações de computador, os astrônomos chegaram a duas possibilidades para a história do Aglomerado do Champanhe. Uma delas é que os dois aglomerados já colidiram um com o outro há mais de dois bilhões de anos. Após a colisão, os dois viajaram para o exterior e depois foram puxados de volta um para o outro pela gravidade, dirigindo-se agora para uma segunda colisão. A outra ideia é que ocorreu uma única colisão há cerca de 400 milhões de anos e os dois aglomerados estão agora se afastando um do outro após essa colisão.

Novos estudos mais aprofundados do Aglomerado do Champanhe podem ensinar como a matéria escura reage a uma colisão em alta velocidade.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal.

Fonte: Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics

Fogo de artifício cósmico de supernova falhada

Há cerca de 900 anos, observadores na China e no Japão registaram uma brilhante "estrela visitante" que apareceu subitamente e permaneceu no céu noturno durante seis meses.

© Chandra, Pan-STARRS, XMM-Newton & WISE (Pa 30)

Os cientistas pensam agora que um remanescente tênue recentemente descoberto, conhecido como Pa 30, remonta a esse evento: uma incompleta explosão de supernova que produziu o surto temporário e luminoso observado em 1181.

As explosões de supernova, que marcam os momentos finais de uma estrela, dividem-se tipicamente em duas categorias principais:

• Supernovas de colapso do núcleo: ocorrem quando uma estrela massiva, com pelo menos dez vezes a massa do nosso Sol, fica sem combustível nuclear. O seu núcleo colapsa sob a ação da gravidade, desencadeando uma explosão catastrófica;

• Supernovas de Tipo Ia: representam a detonação de uma anã branca e requerem um sistema binário, ou seja, duas estrelas que orbitam um centro comum. A explosão pode ser gerada pela fusão de duas anãs brancas, ou por acreção de material de uma estrela companheira (quando o binário é constituído por uma anã branca e uma estrela normal), aumentando constantemente a sua massa até detonar.

Uma nova análise, no entanto, mostra que Pa 30 é o remanescente de um evento mais raro, uma estrela que começou a explodir, mas que não o conseguiu fazer completamente. As condições não eram as ideais para produzir uma detonação terminal da estrela. Em vez disso, queimou elementos mais pesados perto das suas camadas superficiais, sem a destruir totalmente. A combustão nuclear não se transformou numa detonação supersônica.

Quando ocorre uma supernova de Tipo Ia, normalmente uma ou ambas as estrelas são completamente destruídas, gerando uma nuvem de detritos em expansão,- conhecida como remanescente de supernova, que apresenta uma estrutura semelhante a uma couve-flor. Mas em vez de uma nuvem de detritos espessa e caótica, Pa 30 apresenta filamentos longos e retos que irradiam de um núcleo central, como os rastos de um fogo de artifício.

Os astrônomos têm-se esforçado por compreender como os filamentos finos e uniformes de Pa 30 foram formados. Os pesquisadores examinaram o remanescente com telescópios modernos, fizeram simulações e testaram vários cenários antes de chegarem a uma nova explicação. As supernovas são tipicamente brilhantes apenas durante os primeiros meses após a sua detecção, mas o remanescente é observável por telescópios potentes durante centenas de anos, à medida que arrefece. O estudo sugere que a explosão inicial observada em 1181 foi incomumente fraca, permitindo que uma anã branca sobrevivente, provavelmente hipermassiva, permanecesse intacta no centro.

A explosão não criou os filamentos de Pa 30: eles formaram-se depois. Após a detonação falhada, a anã branca sobrevivente começou a lançar um vento rápido e denso, enriquecido com elementos pesados forjados durante a explosão parcial. Este vento é observado atualmente, movendo-se a cerca de 15.000 km/s, ou seja, 5% da velocidade da luz. O vento embateu no gás mais leve que rodeava a estrela. Na fronteira entre o vento denso e o gás leve, havia condições para que a instabilidade de Rayleigh-Taylor, um processo em que um fluido mais pesado (neste caso o vento) empurra um mais leve, atuasse, formando longas plumas semelhantes a dedos. Em Pa 30, essas plumas tornaram-se filamentos lineares e altamente alongados.

O que aconteceu a seguir também é incomum. Normalmente, um segundo processo, a instabilidade de Kelvin-Helmholtz, que é a mistura e o mecanismo de cisalhamento que faz com que os redemoinhos se torçam, rasgaria aqueles longos dedos em pedaços. Mas, no caso de Pa 30, a mistura e o cisalhamento nunca se concretizaram. O vento denso era tão mais pesado do que o gás que a instabilidade de Kelvin-Helmholtz foi suprimida. Como resultado, os filamentos continuaram a esticar-se para fora enquanto o vento continuava a alimentá-los. Pa 30 ficou com uma cavidade central vazia e um halo de filamentos que continuaram se expandindo. As simulações sugerem que um contraste de alta densidade é conducente à formação de tais estruturas filamentares. 

Este tipo de explosão falhada é raro, mas cada vez mais reconhecido como uma subclasse distinta de explosão estelar. Os astrônomos classificam-nos como supernovas de Tipo Iax, um subgrupo incomum que representa uma forma diferente de morte estelar. Pa 30 é um dos poucos casos em que a modelação astrofísica moderna pode ser diretamente associada a um evento registado por observadores há cerca de 900 anos. A "estrela visitante" de 1181 tornou-se um detalhado estudo de caso cósmico, revelando como algumas estrelas morrem não numa única explosão cataclísmica, mas num processo complexo que deixa para trás estruturas surpreendentes.

Embora não se conheçam outras fontes astrofísicas que apresentem a morfologia de fogo de artifício de Pa 30, documentos recentemente divulgados do LANL (Los Alamos National Lab) demonstram que tais estruturas podem surgir em explosões terrestres. São mostradas duas fotografias do teste nuclear de alta altitude "Kingfish" efetuado pelo LANL em 1962. O teste Kingfish fazia parte da Operação Fishbowl, uma série de experiências concebidas para monitorar os efeitos das detonações nucleares em grande altitude nas comunicações militares, sistemas de radar e capacidades de detecção de mísseis durante a Guerra Fria. 

© LANL (detonação da bomba nuclear Kingfish)

A imagem da esquerda foi tirada cerca de 40 milissegundos após a detonação inicial e ilustra a formação de filamentos claros, semelhantes a dedos, que se estendem para a atmosfera em choque e radialmente a partir de um centro comum. A imagem da direita é da mesma explosão, mas 256 milissegundos após a detonação, mostrando que os filamentos inicialmente radiais evoluíram para uma estrutura mais parecida com uma couve-flor que faz lembrar a maioria dos outros remanescentes de supernova.

A bomba nuclear Kingfish foi semelhante às explosões astrofísicas típicas, em que uma quantidade fixa de massa e energia é impulsivamente injetada num meio gasoso; isto contrasta com a origem alimentada pelo vento do remanescente Pa 30, em que a energia e o momento foram continuamente fornecidos à medida que o material se expandia. O fato de a experiência Kingfish ter inicialmente produzido material ejetado que se assemelhava a Pa 30, e que mais tarde se transformaram numa estrutura que faz lembrar a maioria dos outros remanescentes de supernova, sugere que outras explosões astrofísicas não alimentadas pelo vento podem passar por esta mesma fase, embora dure comparativamente pouco tempo.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: Syracuse University