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

Um achado brilhante

Visto aqui com detalhes incríveis, graças ao telescópio espacial Hubble, está a galáxia de explosão estelar formalmente conhecida como PLCK G045.1+61.1.

© Hubble (PLCK G045.1+61.1)

A galáxia aparece como vários pontos avermelhados perto do centro da imagem e está sendo ampliada através de lente gravitacional por um aglomerado de galáxias mais próximo que também é visível nessa imagem.

As lentes gravitacionais ocorrem quando uma grande distribuição de matéria, como um aglomerado de galáxias, fica entre a Terra e uma fonte de luz distante. Como o espaço é distorcido por objetos massivos, a luz do objeto distante se dobra à medida que viaja até nós. Esse efeito foi previsto pela teoria geral da relatividade de Einstein.

De 2009 a 2013, o observatório espacial Planck da Agência Espacial Europeia (ESA) efetuou várias análises em todo o céu. Durante essas pesquisas, com observações complementares do observatório espacial Herschel, o Planck descobriu algumas das galáxias mais brilhantes de alto desvio para o vermelho com lentes gravitacionais no céu noturno.

Foi durante o estudo dessas fontes selecionadas do Planck-Herschel usando o telescópio espacial Hubble que a luz estelar emitida por essa galáxia ultra brilhante foi encontrada.

Fonte: ESA

A pedra angular da Teoria da Relatividade Geral de Einstein

Uma colaboração internacional de cientistas registou a confirmação mais precisa, até agora, de uma das pedras angulares da Teoria da Relatividade Geral de Einstein, "a universalidade da queda livre".

© Guillaume Voisin (ilustração do pulsar com duas anãs brancas)

A nova pesquisa mostra que a teoria é válida para objetos fortemente autogravitantes, como estrelas de nêutrons. Usando um radiotelescópio, os cientistas podem observar com muita precisão o sinal produzido pelos pulsares, um tipo de estrela de nêutrons e testar a validade da teoria da gravidade de Einstein para estes objetos extremos. Em particular, a equipe analisou os sinais de um pulsar chamado PSR J0337+1715 registados pelo grande radiotelescópio de Nançay, localizado no coração de Sologne (França).

A universalidade do princípio de queda livre afirma que dois corpos ao caírem num campo gravitacional sofrem a mesma aceleração independentemente da sua composição. Isto foi demonstrado pela primeira vez por Galileu, que teria largado objetos de diferentes massas do topo da Torre de Pisa para verificar se ambos alcançavam o chão simultaneamente.

Este princípio também está no cerne da teoria da relatividade geral de Einstein. No entanto, algumas dicas, como a inconsistência entre a mecânica quântica e a relatividade geral, ou o enigma do domínio da matéria escura e da energia escura na composição do Universo, levaram muitos físicos a pensar que a relatividade geral pode não ser, afinal, a teoria final da gravidade.

As observações do Pulsar J0337+1715, que é uma estrela de nêutrons com um núcleo estelar que tem 1,44 vezes a massa do Sol e que colapsou numa esfera com apenas 25 km de diâmetro, mostra que orbita duas anãs brancas que são muito mais fracas em termos de campo gravitacional. As descobertas demonstram que a universalidade do princípio da queda livre está correta.

O Dr. Guillaume Voisin, da Universidade de Manchester, que liderou o estudo, disse: "O pulsar emite um feixe de ondas de rádio que varre o espaço. A cada volta, cria um flash de rádio que é registado com alta precisão pelo radiotelescópio de Nançay. À medida que o pulsar se move na sua órbita, o tempo de chegada da luz à Terra muda. É a medição precisa e a modelagem matemática, com uma precisão de nanossegundos, desses tempos de chegada, que permite aos cientistas inferir com precisão requintada o movimento da estrela de nêutrons.

"Acima de tudo, é a configuração única desse sistema, semelhante ao sistema Terra-Lua-Sol, com a presença de uma segunda companheira (desempenhando o papel do Sol) em direção à qual as duas outras estrelas orbitam, que permitiu executar uma versão estelar da famosa experiência de Galileu na Torre de Pisa. Dois corpos de composições diferentes caem com a mesma aceleração no campo gravitacional de um terceiro corpo."

As medições foram obtidas por uma equipe colaborativa da Universidade de Manchester, do Observatório de Paris, do CNRS Francês (Centre National de la Recherche Scientifique), do LPC2E (Laboratoire de Physique et de Chimie de l'Environnement et de l'Espace), e do Instituto Max Planck para Radioastronomia. O pulsar orbita duas anãs brancas, uma das quais orbita o pulsar em apenas 1,6 dias a uma distância cerca de 10 vezes inferior à distância Mercúrio-Sol. Esse sistema binário, um pouco como a Terra e a Lua no Sistema Solar, orbita uma terceira estrela, uma anã branca com 40% da massa do Sol, localizada pouco mais da distância que separa o sistema Terra-Lua do Sol.

No Sistema Solar, a Lunar-laser ranging experiment permitiu verificar que a Lua e a Terra são identicamente afetadas pelo campo de gravidade do Sol, conforme previsto pela universalidade da queda livre (o movimento orbital é uma forma de queda livre). No entanto, sabe-se que alguns desvios à universalidade podem ocorrer apenas para corpos fortemente autogravitantes, como estrelas de nêutrons, que são objetos cuja massa é composta significativamente da sua própria energia gravitacional graças à famosa relação E=mc² de Einstein. A nova experiência de pulsar realizada pela equipe preenche a lacuna deixada pelos testes do Sistema Solar, onde nenhum objeto é fortemente autogravitante, nem mesmo o Sol.

Demonstrou-se que o campo gravitacional extremo do pulsar não pode diferir em mais de 1,8 partes por milhão (com um nível de confiança de 95%) da previsão da relatividade geral. Esse resultado é a confirmação mais precisa de que a universalidade da queda livre é válida mesmo na presença de um objeto cuja massa é em grande parte devida ao seu próprio campo de gravidade, apoiando assim a Teoria da Relatividade Geral de Einstein.

As descobertas foram publicadas no periódico Astronomy & Astrophysics.

Fonte: Max Planck Institute for Radio Astronomy

Observando a desintegração de um exoplaneta?

Com observações iniciais em 2015, o Dispersed Matter Planet Project (DMPP) executou uma abordagem inovadora para a caça de exoplanetas que orbitam de perto suas estrelas hospedeiras.

© Mark Garlick (ilustração do sistema planetário DMPP-2)

Usando medições de velocidade radial de alta cadência e alta precisão, o projeto tem como alvo estrelas brilhantes próximas que mostram assinaturas de estar envolto em gás circunstelar quente. Ao procurar pequenas oscilações de velocidade radial no sinal da estrela, a equipe do DMPP espera detectar pequenos planetas que estão perdendo massa enquanto orbitam perto de seus anfitriões quentes.

Em dezembro de 2019, o DMPP anunciou suas primeiras descobertas: seis planetas orbitando em torno de três estrelas-alvo diferentes. Agora, em um novo estudo liderado pelo cientista Mark Jones (The Open University, Reino Unido), a equipe revisitou o primeiro desses sistemas, o DMPP-1, com fotometria de acompanhamento do Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS).

Curiosamente, os planetas detectados pela velocidade radial não são os únicos sinais desse sistema.

O DMPP-1 é uma estrela de 2 bilhões de anos localizada a pouco mais de 200 anos-luz de distância. As observações de velocidade radial desse sistema revelaram os rebocadores gravitacionais de quatro planetas todos orbitando com períodos inferiores a 19 dias. Os dados de velocidade radial sugerem que esse sistema provavelmente está próximo do limite e contém três super-Terras e um planeta semelhante a Netuno.

Jones e colaboradores começaram seu acompanhamento fotométrico pesquisando os dados do TESS em busca de evidências desses quatro planetas transitando pela face da estrela anfitriã. Curiosamente, eles não encontraram sinal de trânsitos nos períodos previstos, indicando que os quatro planetas de velocidade radial são menores que o esperado ou que o sistema não está totalmente no limite, afinal, para que os planetas não passem diretamente frente da estrela.

Os autores, no entanto, encontraram um novo sinal: uma fraca detecção de trânsito com um período de apenas ~ 3,3 dias. Este sinal não corresponde a nenhum dos planetas conhecidos de velocidade radial.

O que poderia ser essa detecção marginal? Suas profundidades de trânsito variáveis, período curto e tamanho aparente pequeno são consistentes com um exoplaneta catastroficamente desintegrador, ou seja, um planeta rochoso próximo e pequeno que é tão irradiado por seu hospedeiro que sua superfície rochosa está sendo sublimada. Com o passar do tempo, esse planeta acabará se desintegrando em nada.

Esse sinal de trânsito ainda precisa ser confirmado com observações fotométricas adicionais de acompanhamento. Supondo que seja uma verdadeira detecção, no entanto, um planeta rochoso em desintegração orbitando uma estrela brilhante próxima forneceria uma verdadeira mina de ouro de informações.

Explorando os sinais de trânsito do DMPP-1 com tecnologia futura como o telescópio espacial James Webb, será possível examinar a composição do material ablado, potencialmente revelando pistas sobre como os planetas internos rochosos e quentes se formam e evoluem.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: Sky & Telescope

Uma entre milhões de galáxias

Olhando profundamente no Universo, o telescópio espacial Hubble tem um vislumbre de passagem das inúmeras estruturas semelhantes a braços que varrem essa galáxia espiral barrada, conhecida como NGC 2608.

© Hubble/A. Riess (NGC 2608)

Aparecendo como uma versão menor e ligeiramente esticada de nossa Via Láctea, os braços espirais azuis e vermelhos apimentados são ancorados juntos pela proeminente barra central horizontal da galáxia.

Nas fotos do telescópio espacial Hubble, as estrelas brilhantes da Via Láctea às vezes aparecem como pontos de luz com reflexos de lentes proeminentes. Uma estrela com esses recursos é vista no canto inferior direito da imagem e outra pode ser vista logo acima do centro pálido da galáxia. A maioria dos pontos mais fracos em torno da galáxia NGC 2608 não possui esses recursos e, após uma inspeção mais detalhada, eles revelam ser milhares de galáxias distantes. A  NGC 2608 é apenas um dentre um número incontável de estruturas afins.

Extensões semelhantes de galáxias podem ser observadas em outras imagens do telescópio espacial Hubble, como o Hubble Deep Field, que registrou mais de 3.000 galáxias em um campo de visão.

Fonte: ESA

Fonte de raios X desperta perto de uma galáxia não tão distante

Uma nova fonte ultravioleta de raios X despertou entre nossos vizinhos galácticos, as Nuvens de Magalhães, depois de 26 anos adormecida.

© NASA/JPL-Caltech (ilustração de um pulsar de raios X ultra luminoso)

Este é o segundo objeto mais próximo conhecido até hoje, com um brilho superior a um milhão de sóis.    O objeto, conhecido como RX J0209.6-7427, foi detectado pela primeira vez em 1993 durante uma explosão com a duração de 6 meses. Embora tenha sido inicialmente identificado como um binário de raio X de tipo Be, a sua verdadeira natureza permaneceu um mistério, já que se manteve em estado adormecido durante os 26 anos seguintes, voltando a brilhar em novembro do ano passado.

Uma equipe de cientistas indianos usou o AstroSat, o primeiro observatório espacial dedicado da Índia, para revelar a natureza extrema da fonte e detectou pela primeira vez pulsações de raios X no objeto. Isto permitiu classificar o objeto como um pulsar de raios X ultra luminoso (ULXP).

O pulsar está localizado na Ponte de Magalhães, um fluxo de gás e de estrelas que liga as nuvens de Magalhães (duas das galáxias mais próximas da Terra e que são dos objetos mais distantes visíveis a olho nu). A nova fonte de raios X é o segundo ULXP mais próximo, a seguir a um outro descoberto na Via Láctea em 2018, e é apenas o oitavo objeto deste tipo que se conhece.

As fontes de raios X ultra luminosas observam-se como pontos únicos no céu, mas têm um brilho que se pode comparar ao de uma galáxia. “Segundo a teoria convencional, para brilharem com tanta intensidade, os ULXPs devem ser discos de acreção brilhantes em torno de buracos negros”, disse Amar Deo Chandra, principal autor deste estudo. “No entanto, as recentes descobertas de pulsações nestes objetos sugerem que eles podem possuir estrelas de nêutrons no núcleo.”

Uma estrela de nêutrons é o remanescente de uma estrela morta que contém tanta matéria como o Sol, mas compactada num raio minúsculo de apenas 10 km. Calcula-se que a estrela de nêutrons deste objeto deva girar muito rapidamente, cerca de 100 vezes por segundo, emitindo pulsos de raios X energéticos a partir dos seus polos magnéticos, conduzindo-o a uma nova classificação de pulsar de raios X.

O grupo de astrônomos, do IISER Kolkata, do IUCAA Pune e do UM-DAE CEBS (Center for Excellence in Basic Sciences) de Mumbai, descobriu ainda que o pulsar pode até estar acelerando, disparando fulgurações de raios X. Considera-se que isto acontece quando a estrela de nêutrons captura material de uma estrela companheira, injetando energia no sistema e acelerando a rotação.    A escassez de fontes semelhantes torna essencial a detecção e o estudo de novos ULXPs.

“Este é apenas o oitavo ULXP detectado e o primeiro próximo das nuvens de Magalhães,” acrescenta Chandra. “Isto levanta a interessante possibilidade de uma fração significativa das fontes de raios X ultra luminosas poderem ser estrelas de nêutrons em acreção a taxas acima do limite de Eddington, e não buracos negros, como se pensava.”

A descoberta foi publicada no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: Royal Astronomical Society

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

Observando um surto num buraco negro

Os astrônomos encontraram um buraco negro lançando material quente para o espaço quase à velocidade da luz.

© Chandra/PanSTARSS (imagem no visível e infravermelho de MAXI J1820+070)

Este surto foi captado numa nova animação do Observatório de raios X Chandra da NASA.

O buraco negro e a sua estrela companheira compõem o sistema chamado MAXI J1820+070, localizado na nossa Galáxia a cerca de 10.000 anos-luz da Terra. O buraco negro no sistema MAXI J1820+070 tem uma massa de aproximadamente 8 vezes a do Sol, identificando-o como um buraco negro de massa estelar, formado pela destruição de uma estrela massiva (isto em contraste com os buracos negros supermassivos que contêm milhões ou bilhões de vezes a massa do Sol).

A estrela companheira que orbita o buraco negro tem cerca de metade da massa do Sol. A forte gravidade do buraco negro puxa material da estrela companheira para um disco que emite raios X situado em torno de si próprio.

Enquanto parte do gás quente no disco cruza o horizonte de eventos e cai no buraco negro, parte é expelida para longe do buraco negro num par de feixes curtos de material, ou jatos. Estes jatos estão apontados em direções opostas, lançados de fora do horizonte de eventos ao longo das linhas do campo magnético. As novas imagens do comportamento deste buraco negro são baseadas em quatro observações obtidas com o Chandra em novembro de 2018 e fevereiro, maio e junho de 2019, e foram relatadas num artigo liderado por Mathilde Espinasse da Universidade de Paris.

O painel principal da imagem acima é uma imagem ótica e infravermelha de campo largo da Via Láctea pelo telescópio óptico PanSTARRS no Havaí, com a posição de MAXI J1820+070 acima do plano da Galáxia assinalada por uma cruz. A inserção mostra uma animação que percorre as quatro observações do Chandra, em que o tempo inicial corresponde à primeira observação de 13 de novembro de 2018, cerca de quatro meses depois do lançamento do jato. MAXI J1820+070 é a brilhante fonte de raios X no meio da imagem e as fontes de raios X podem ser vistas se afastando do buraco negro em jatos para norte e sul. MAXI J1820+070 é uma fonte pontual de raios X, embora pareça ser muito maior do que um ponto porque é bastante mais brilhante do que as fontes do jato. O jato sul é demasiado fraco para ser detectado nas observações de maio e junho de 2019.

Qual é a velocidade a que os jatos de material se afastam do buraco negro? Do ponto de vista da Terra, parece que o jato norte está se movendo a 60% da velocidade da luz, enquanto o jato sul está viajando a 160% da velocidade luz, o que parece impossível!

Este é um exemplo de movimento superluminal, um fenômeno que ocorre quando algo viaja na nossa direção perto da velocidade da luz, ao longo de uma direção próxima da nossa linha de visão. Isto significa que o objeto viaja quase tão depressa na nossa direção quanto a luz que gera, dando a ilusão de que o movimento do jato é mais rápido do que a velocidade da luz. No caso de MAXI J1820+070, o jato sul está apontando na nossa direção e o jato norte está apontando para longe de nós, de modo que o jato sul parece estar se movendo mais depressa do que o jato norte. A velocidade real das partículas nos dois jatos é superior a 80% da velocidade da luz.

Apenas dois outros exemplos de expulsões de alta velocidade foram observados em raios X oriundos de buracos negros de massa estelar.

MAXI J1820+070 também foi observado no rádio por uma equipe liderada por Joe Bright, da Universidade de Oxford, que havia relatado anteriormente a detecção de movimento superluminal de fontes compactas baseado em apenas dados de rádio que se estendiam desde o lançamento dos jatos no dia 7 de julho de 2018, até ao final de 2018.

Dado que as observações do Chandra aproximadamente duplicaram o tempo de acompanhamento dos jatos, uma análise combinada dos dados de rádio e dos novos dados do Chandra, por Espinasse e pela sua equipe, forneceu mais informações. Isto inclui evidências de que os jatos estão desacelerando à medida que se afastam do buraco negro.

A maior parte da energia nos jatos não é convertida em radiação, mas é liberada quando as partículas nos jatos interagem com o material circundante. Estas interações podem ser a causa da desaceleração dos jatos. Quando os jatos colidem com o material circundante no espaço interestelar, ocorrem ondas de choque, semelhantes às explosões sônicas provocadas por aeronaves supersônicas. Este processo gera energias maiores que as do LHC (Large Hadron Collider).

Os pesquisadores estimam que cerca de 200 quatrilhões de quilogramas de material tenham sido expelidos pelo buraco negro nestes dois jatos lançados em julho de 2018. Esta quantidade de massa é comparável à que podia ficar acumulada no disco em torno do buraco negro no espaço de algumas horas, e é equivalente a cerca de mil Cometas Halley.

Os estudos de MAXI J1820+070 e sistemas similares prometem ensinar-nos mais sobre os jatos produzidos por buracos negros de massa estelar e como liberam a sua energia quando interagem com o ambiente.

As observações rádio realizadas com o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) e com o MeerKAT também foram usadas para estudar os jatos de MAXI J1820+070.

O artigo que descreve estes resultados foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Estrelas quentes são afetadas por manchas magnéticas gigantes

Foram descobertas manchas gigantes na superfície de estrelas extremamente quentes escondidas em aglomerados estelares.

© ESO/L. Calçada (ilustração de estrela com mancha gigantesca)

Estas estrelas não sofrem apenas de manchas magnéticas, algumas apresentam também eventos de erupções gigantes, explosões de energia vários milhões de vezes mais energéticas que erupções semelhantes no Sol. Esta descoberta ajuda os astrônomos a entender melhor estas estrelas intrigantes e abre portas para resolver outros mistérios da astronomia estelar.

A equipe liderada por Yazan Momany do INAF Observatório Astronômico de Pádua, Itália, observou um tipo particular de estrelas conhecidas por estrelas do ramo horizontal extremo, ou seja, objetos com cerca de metade da massa do Sol, mas quatro ou cinco vezes mais quentes. “Estas estrelas pequenas e quentes são especiais porque sabemos que passarão uma das fases finais da vida de uma estrela típica e morrerão prematuramente,” explica Momany, que já trabalhou como astrônomo no Observatório do Paranal do ESO, no Chile. “Na nossa Galáxia, estes objetos quentes peculiares estão geralmente associados à presença de uma estrela companheira próxima.”

Surpreendentemente, no entanto, a maioria destas estrelas do ramo horizontal extremo, quando observadas em grupos estelares muito compactos chamados aglomerados globulares, parecem não ter companheiras. O longo monitoramento destas estrelas feito por esta equipe com o auxílio dos telescópios do ESO, revelou que existia algo mais nestes objetos misteriosos. Ao observar três aglomerados globulares diferentes, os cientistas descobriram que muitas das estrelas do ramo horizontal extremo mostravam variações regulares no seu brilho durante um espaço de tempo de apenas alguns dias até várias semanas.

As manchas em estrelas do ramo horizontal extremo parecem ser muito diferentes das manchas escuras do nosso próprio Sol, mas ambas são causadas por campos magnéticos. As manchas destas estrelas extremas e quentes são mais brilhantes e quentes que a superfície estelar que as circunda, contrariamente ao nosso Sol, onde vemos as manchas como zonas escuras na superfície solar, zonas estas mais frias do que o material que as rodeia. As manchas das estrelas do ramo horizontal extremo são também significativamente maiores que as manchas solares, podendo cobrir até um quarto da superfície da estrela. Estas manchas são muito persistentes, podendo durar décadas, enquanto as manchas solares individuais são temporárias e duram apenas alguns dias, no máximo alguns meses. À medida que as estrelas quentes giram, as manchas nas suas superfícies vão e vêm, causando variações visíveis no brilho.

Além de variações no brilho devido às manchas, a equipe também descobriu algumas estrelas do ramo horizontal extremo que mostram erupções gigantes, explosões repentinas de energia e outro sinal da presença de um campo magnético. “Estas erupções são semelhantes às que vemos no nosso Sol, mas são dez milhões de vezes mais energéticas,” diz Henri Boffin, astrônomo da Sede do ESO, Alemanha. “Tal comportamento não era certamente esperado e destaca a importância dos campos magnéticos para explicar as propriedades destas estrelas.”

Depois de seis décadas tentando entender as estrelas do ramo horizontal extremo, os astrônomos têm agora uma ideia mais completa destes objetos. Além disso, esta descoberta poderá ajudar a explicar a origem dos fortes campos magnéticos em muitas anãs brancas, objetos que representam a fase final da vida das estrelas do tipo Sol e mostram semelhanças com as estrelas do ramo horizontal extremo. O quadro geral, no entanto, é que as variações no brilho de todas as estrelas quentes, desde estrelas jovens do tipo solar a estrelas velhas do ramo horizontal extremo e anãs brancas mortas há muito tempo, podem estar todas ligadas. Estes objetos podem, portanto, ser entendidos como sofrendo coletivamente de pontos magnéticos em suas superfícies.

Para chegar a estes resultados, os astrônomos usaram vários instrumentos montados no Very Large Telescope (VLT) do ESO, incluindo o VIMOS, o FLAMES e o FORS2, assim como a OmegaCAM montada no telescópio de rastreio do VLT (VST) no Observatório do Paranal. A equipe utilizou também a ULTRACAM instalada no New Technology Telescope (NTT) no Observatório de La Silla do ESO, também no Chile. A descoberta foi feita quando a equipe observou as estrelas na região do ultravioleta próximo do espectro eletromagnético, o que permitiu revelar as estrelas mais quentes e extremas que se destacam entre as estrelas mais frias em aglomerados globulares.

Esta pesquisa foi apresentada num artigo científico intitulado “A plague of magnetic spots among the hot stars of globular clusters”, publicado na revista Nature Astronomy.

Fonte: ESO

Flocos de neve estelares

Quase como flocos de neve, as estrelas do aglomerado globular NGC 6441 brilham pacificamente no céu noturno, a cerca de 13.000 anos-luz do centro galáctico da Via Láctea.

© Hubble/G. Piotto (NGC 6441)

É difícil discernir o número exato de estrelas neste aglomerado. Estima-se que juntas as estrelas pesem 1,6 milhões de vezes a massa do Sol, tornando o NGC 6441 um dos aglomerados globulares mais massivos e luminosos da Via Láctea.

O aglomerado globular NGC 6441 possui quatro pulsares, cada um completando uma única rotação em alguns milissegundos. Também escondido dentro deste aglomerado está o JaFu 2, uma nebulosa planetária. Apesar do nome, isso tem pouco a ver com planetas. Uma fase na evolução das estrelas de massa intermediária, as nebulosas planetárias duram apenas algumas dezenas de milhares de anos, um piscar de olhos nas escalas de tempo astronômicas.

Existem cerca de 150 aglomerados globulares conhecidos na Via Láctea. Aglomerados globulares contêm algumas das primeiras estrelas a serem produzidas em uma galáxia, mas os detalhes de suas origens e evolução ainda iludem os astrônomos.

Fonte: NASA

Formação planetária é desfavorável no centro de aglomerados estelares

O telescópio espacial Hubble foi usado para conduzir um estudo de três anos do aglomerado de estrelas, massivo e jovem, Westerlund 2.

© Hubble (Westerlund 2)

A pesquisa descobriu que o material que envolve as estrelas próximas ao centro do aglomerado é misteriosamente desprovido de nuvens densas e grandes de poeira que se esperaria que se tornasse planetas em alguns milhões de anos. Sua ausência é causada pelas estrelas mais massivas e brilhantes do aglomerado que corroem e dispersam os discos de gás e poeira das estrelas vizinhas. É a primeira vez que os astrônomos analisam um aglomerado de estrelas extremamente denso para estudar quais ambientes são favoráveis ​​à formação de planetas.

Este estudo, que decorreu de 2016 a 2019, analisou as propriedades das estrelas durante suas fases evolutivas iniciais e rastreando a evolução de seus ambientes circunstanciais. Tais estudos haviam sido confinados anteriormente às regiões mais próximas, de baixa densidade, formadoras de estrelas. Os astrônomos agora usam o telescópio espacial Hubble para estender esta pesquisa, pela primeira vez, ao centro de um dos poucos aglomerados massivos jovens na Via Láctea, Westerlund 2.

Foi descoberto agora que os planetas têm dificuldade em se formar nesta região central do aglomerado. As observações também revelam que estrelas na periferia do aglomerado possuem imensas nuvens de poeira formadoras de planetas incorporadas em seus discos. Para explicar por que algumas estrelas em Westerlund 2 têm dificuldade em formar planetas, enquanto outras não, os pesquisadores sugerem que isso se deve principalmente à localização. As estrelas mais massivas e brilhantes do aglomerado se reúnem no núcleo.

O Westerlund 2 contém pelo menos 37 estrelas extremamente massivas, algumas pesando até 100 massas solares. Sua radiação ultravioleta intensa e ventos estelares semelhantes a furacões agem como maçaricos e desgastam os discos em torno das estrelas vizinhas, dispersando as gigantescas nuvens de poeira.

O Westerlund 2 é um laboratório único para estudar processos evolutivos estelares, porque é relativamente próximo, é bastante jovem e contém uma rica população estelar. O aglomerado reside em um local de criação estelar conhecido como Gum 29, localizado a cerca de 14.000 anos-luz de distância na constelação de Carina. O viveiro estelar é difícil de observar porque está rodeado de poeira, mas a Wide Field Camera 3 do Hubble pode espiar através do véu empoeirado sob luz infravermelha, fornecendo uma visão clara do aglomerado. A visão nítida de Hubble foi usada para resolver e estudar a densa concentração de estrelas no aglomerado central.

Foi descoberto que das quase 5.000 estrelas em Westerlund 2 com massas entre 0,1 e 5 vezes a massa do Sol, 1.500 delas mostram flutuações dramáticas em sua luminosidade, o que é comumente aceito como devido à presença de grandes estruturas empoeiradas e planetesimais. O material em órbita bloquearia temporariamente parte da luz das estrelas, causando flutuações no brilho. No entanto, o telescópio espacial Hubble detectou apenas a assinatura de partículas de poeira em torno de estrelas fora da região central. Não foi detectado estas quedas de brilho nas estrelas que residiam dentro de quatro anos-luz do centro.

Até agora, o ambiente estelar nas proximidades mais conhecido que contém estrelas massivas é a região de nascimentos na nebulosa de Órion. No entanto, Westerlund 2 é um alvo mais rico devido à sua maior população estelar.

Este aglomerado também será um excelente alvo para observações de acompanhamento com o próximo telescópio espacial James Webb, um observatório de infravermelho. Com este telescópio será possível estudar quais discos em torno das estrelas não estão acumulando material e quais ainda possuem material que pode se transformar em planetas. Possibilitará também o estudo da química dos discos em diferentes fases evolutivas e observará como eles mudam, auxiliando na determinação da função que o ambiente desempenha em sua evolução.

Uma conclusão importante deste trabalho é que a poderosa radiação ultravioleta de estrelas massivas altera os discos em torno das estrelas próximas. Este resultado também pode explicar por que os sistemas planetários são raros em antigos aglomerados globulares massivos.

Fonte: ESA

Descoberta nova classe de explosões cósmicas

Foram descobertos dois objetos que, somados a um objeto estranho descoberto em 2018, constituem uma nova classe de explosões cósmicas.

© NRAO (explosão gerando FBOTs)

O novo tipo de explosão partilha algumas características com as explosões de supernova de estrelas massivas e com as explosões que geram GRBs (Gamma-ray bursts), mas ainda com algumas diferenças distintas.

A saga começou em junho de 2018 quando os astrônomos viram uma explosão cósmica com características e comportamento surpreendentes. O objeto, apelidado AT2018cow ("A Vaca"), atraiu a atenção de cientistas de todo o mundo e foi estudado extensivamente. Embora partilhe algumas características com as explosões de supernova, diferia em aspetos importantes, particularmente o seu brilho inicial incomum e na rapidez com que aumentou e diminui de brilho em apenas alguns dias.

Entretanto, duas explosões adicionais, uma em 2016 e outra em 2018, também mostraram características incomuns e foram observadas e analisadas. As duas novas explosões têm o nome CSS161010 (abreviação de CRTS CSS161010 J045834-081803), numa galáxia situada a aproximadamente 500 milhões de anos-luz da Terra, e ZTF18abvkwla ("O Coala"), numa galáxia a cerca de 3,4 bilhões de anos-luz de distância. Ambas foram descobertas por levantamentos automatizados do céu (CRTS - Catalina Real-time Transient Survey, ASAS-SN - All-Sky Automated Survey for Supernovae e ZTF - Zwicky Transient Facility) usando telescópios ópticos para varrer grandes áreas do céu noturno.

Duas equipes de astrônomos acompanharam estas descobertas observando os objetos com o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array). As duas equipes também usaram o GMRT (Giant Metrewave Radio Telescope) na Índia e a equipe que estudava CSS161010 usou o Observatório de raios X Chandra da NASA. Ambos os objetos surpreenderam os observadores.

Anna Ho, do Caltech, autora principal do estudo sobre ZTF18abvkwla, notou imediatamente que a emissão de rádio do objeto era tão brilhante quanto a de uma explosão de raios gama. "Quando reduzi os dados, pensei que tinha cometido um erro," disse.

Deanne Coppejans, da Northwestern University, liderou o estudo sobre CSS161010, que descobriu que o objeto havia lançado uma quantidade "inesperada" de material para o espaço interestelar a mais de metade da velocidade da luz.

Em ambos os casos, as observações de acompanhamento indicaram que os objetos partilhavam características em comum com AT2018cow. Os cientistas concluíram que estes eventos, chamados FBOTs (Fast Blue Optical Transients), representam, juntamente com AT2018cow, um tipo de explosão estelar significativamente diferente das outras.

As FBOTs provavelmente começam da mesma forma que certas supernovas e GRBs, quando uma estrela muito mais massiva do que o Sol explode no final da sua vida "normal" alimentada a fusão atômica. As diferenças aparecem após a explosão inicial.

Na supernova "comum" deste tipo, chamada supernova de colapso do núcleo, a explosão envia uma onda de choque para o espaço interestelar. Se, além disso, um disco giratório de material se formar brevemente em torno da estrela de nêutrons ou buraco negro formados após a explosão e impulsionar jatos estreitos de material quase à velocidade da luz em direções opostas, estes jatos podem produzir feixes estreitos de raios gama, desencadeando uma GRB.

O disco giratório, chamado disco de acreção, e os jatos que produz, são chamados de "motor" pelos astrônomos.

Nota-se que as FBOTs também têm este mecanismo de motor. No seu caso, ao contrário das explosões de raios gama, está envolto por material espesso. Este material provavelmente foi derramado pela estrela pouco antes de explodir e pode ter sido retirado de lá por uma companheira binária.

Quando o material espesso próximo da estrela é atingido pela onda de choque da explosão, faz com que o surto de luz, visível logo após a explosão que inicialmente produziu estes objetos, pareça tão incomum.

À medida que a onda de choque da explosão colide com o material em torno da estrela, enquanto viaja para longe, produz emissão de rádio. Esta emissão muito brilhante foi a pista importante que provou que a explosão foi desencadeada por um motor.

O invólucro de material denso "significa que a estrela progenitora é diferente daquelas que levam a explosões de raios gama," disse Ho. Os astrônomos realçam que, na "Vaca" e em CSS161010, o material denso incluía hidrogênio, algo nunca visto nas explosões de raios gama.

Usando o Observatório W. M. Keck, os astrônomos descobriram que CSS 161010 e ZTF18abvkwla, tal como "A Vaca", estão situadas em pequenas galáxias anãs. As propriedades das galáxias anãs podem permitir alguns caminhos evolutivos muito raros das estrelas, que levam a estas explosões distintas.

Embora um elemento comum das FBOTs seja o fato de todas as três terem um "motor central", os astrônomos alertam que o motor também pode ser o resultado de estrelas serem destruídas por buracos negros, embora considerem as explosões do tipo supernova o candidato mais provável.

"Embora as FBOTs se tenham mostrado mais raras e mais difíceis de encontrar do que alguns de nós esperávamos, na banda do rádio são também muito mais luminosas do que imaginávamos, permitindo-nos obter dados compreensivos mesmo de eventos muito distantes," disse Daniel Perley, da Universidade John Moores em Liverpool.

As descobertas foram relataram em artigos publicados na revista The Astrophysical Journal Letters e na revista The Astrophysical Journal.

Fonte: W. M. Keck Observatory