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HUBBLE AVISTA QUASARES DUPLOS EM FUSÕES GALÁCTICAS
9 de abril de 2021

 


Impressão de artista que mostra a luz brilhante de dois quasares que residem nos núcleos de duas galáxias que estão no processo caótico de fusão. O puxo gravitacional entre as duas galáxias estica-as, formando longas caudas de maré e dando origem a um surto de formação estelar. Os quasares são faróis brilhantes de luz intensa nos centros de galáxias distantes. São buracos negros supermassivos que se alimentam vorazmente de matéria. Este banquete frenético liberta uma torrente de radiação que pode ofuscar a luz coletiva de milhares de milhões de estrelas na galáxia hospedeira. Em várias dezenas de milhões de anos, os buracos negros e as suas galáxias vão fundir-se, assim como o par de quasares, formando um buraco negro ainda mais massivo. Uma sequência parecida de eventos acontecerá daqui a alguns milhares de milhões de anos quando a nossa Via Láctea se fundir com a vizinha Galáxia de Andrómeda.
Crédito: NASA, ESA e J. Olmsted (STScI)

 

O Telescópio Espacial Hubble da NASA está a "ver a dobrar". Observando 10 mil milhões de anos no passado do Universo, os astrónomos do Hubble encontraram um par de quasares que estão tão próximos um do outro que parecem um único objeto em fotografias obtidas com telescópios no solo, mas não com a visão nítida do Hubble.

Os investigadores pensam que os quasares estão tão próximos um do outro porque residem nos núcleos de duas galáxias em fusão. A equipa ganhou a "dobradinha diária" ao encontrar outro par de quasares noutra fusão galáctica.

Um quasar é um farol brilhante de luz intensa do centro de uma galáxia distante que pode ofuscar toda a galáxia. É alimentado por um buraco negro supermassivo que se alimenta vorazmente de matéria, libertando uma torrente de radiação.

"Estimamos que no Universo distante, por cada 1000 quasares, existe um quasar duplo. Portanto, encontrar estes quasares duplos é como encontrar uma agulha num palheiro," disse Yue Shen da Universidade do Illinois em Urbana-Champaign, EUA.

Os cientistas disseram que a descoberta destes quatro quasares fornece uma nova maneira de sondar colisões entre galáxias e a fusão de buracos negros supermassivos no início do Universo.

Os quasares estão espalhados por todo o céu e eram mais abundantes há 10 mil milhões de anos. Nessa altura, haviam muitas fusões de galáxias, alimentando os buracos negros. Portanto, os astrónomos teorizam que deveriam haver muitos quasares duplos durante essa época.

"Esta é realmente a primeira amostra de quasares duplos na época do pico de formação galáctica, que podemos usar para estudar ideias sobre como os buracos negros supermassivos se juntam para formar um binário," disse Nadia Zakamska, membro da equipa e da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, no estado norte-americano de Maryland.

Os resultados da equipa apareceram na edição online de 1 de abril da revista Nature Astronomy.

Shen e Zakamska são membros de uma equipa que está a usar o Hubble, o observatório espacial Gaia da ESA e o SDSS (Sloan Digital Sky Survey), bem como vários telescópios terrestres, para compilar um censo robusto de pares de quasares no Universo primitivo.

Os investigadores salientam que as observações são importantes porque o papel de um quasar nos encontros galácticos é parte crítica na formação da galáxia. À medida que duas galáxias próximas começam a se distorcer gravitacionalmente, a sua interação canaliza o material para os seus respetivos buracos negros, acendendo os seus quasares.

Com o tempo, a radiação destas "lâmpadas" de alta intensidade lança poderosos ventos galácticos, que varrem a maior parte do gás das galáxias em fusão. Privadas de gás, a formação estelar cessa e as galáxias evoluem para galáxias elípticas.

"Os quasares têm um impacto profundo na formação de galáxias no Universo," disse Zakamska. "Encontrar quasares duplos nesta época primitiva é importante porque agora podemos testar as nossas ideias de longa data de como os buracos negros e as suas galáxias hospedeiras evoluem juntos."

Os astrónomos descobriram, até agora, mais de 100 quasares duplos em galáxias em fusão. No entanto, nenhum deles é tão antigo quanto os dois quasares duplos neste estudo.

As imagens do Hubble mostram que os quasares de cada par estão separados por apenas cerca de 10.000 anos-luz. Em comparação, o nosso Sol está a 26.000 anos-luz do buraco negro supermassivo no centro da nossa Galáxia.

Os pares de galáxias hospedeiras acabarão por se fundir e, em seguida, os quasares também irão coalescer, resultando num único buraco negro ainda mais massivo.

Encontrá-los não foi fácil. O Hubble é o único telescópio com visão nítida o suficiente para perscrutar o Universo primitivo e distinguir dois quasares íntimos que estão tão distantes da Terra. No entanto, a resolução nítida do Hubble por si só não é boa o suficiente para encontrar estes faróis duplos.

Os astrónomos primeiro precisaram de descobrir para onde apontar o Hubble a fim de os estudar. O desafio é que o céu está coberto por uma tapeçaria de quasares antigos que ganharam vida há 10 mil milhões de anos, apenas uma pequena fração dos quais são duplos. Foi necessária uma técnica criativa e inovadora que exigiu a ajuda do satélite Gaia da ESA e do SDSS para compilar um grupo de potenciais candidatos para o Hubble observar.

Localizado no Observatório de Apache Point, no estado norte-americano do Novo México, o telescópio Sloan produz mapas tridimensionais de objetos por todo o céu. A equipa debruçou-se sobre o levantamento Sloan para identificar os quasares para estudar mais atentamente.

Os astrónomos então recrutaram o observatório Gaia para ajudar a identificar potenciais candidatos a quasar duplo. O Gaia mede as posições, distâncias e movimentos de objetos celestes próximos com muita precisão. Mas a equipa desenvolveu uma aplicação nova e inovadora para o Gaia que podia ser usada para explorar o Universo distante. Usaram a base de dados do observatório para procurar quasares que imitam o movimento aparente de estrelas próximas. Os quasares aparecem como objetos singulares nos dados do Gaia. No entanto, o Gaia consegue captar uma "sacudidela" subtil e inesperada na posição aparente de alguns dos quasares que observa.

Os quasares não se movem pelo espaço de forma mensurável, mas ao invés o seu movimento pode ser evidência de flutuações aleatórias de luz, pois cada membro do par de quasares varia em brilho. Os quasares cintilam em brilho em escalas de tempo de dias a meses, dependendo do calendário de alimentação dos seus buracos negros.

Este brilho alternado entre o par de quasares é semelhante a ver um sinal de travessia de uma ferrovia à distância. À medida que as luzes de ambos os lados do sinal estacionário piscam alternadamente, dá a ilusão de passar entre uma e a outra lâmpada.

Quando os primeiros quatro alvos foram observados com o Hubble, a sua visão nítida revelou que dois dos alvos são dois pares íntimos de quasares. Os investigadores disseram que foi um daqueles momentos em que "se faz luz" que confirmou o plano de usar o SDSS, o Gaia e o Hubble para caçar os antigos e elusivos monstros duplos.

Xin Liu, membro da equipa da Universidade do Illinois em Urbana-Champaign, considera a confirmação do Hubble uma "surpresa feliz". Há muito tempo que ela caça quasares duplos mais próximos da Terra usando diferentes técnicas com telescópios terrestres. "A nova técnica consegue não só descobrir quasares duplos muito mais distantes, como também é muito mais eficaz do que os métodos que usámos antes," disse.

O seu artigo da Nature Astronomy é uma "prova de conceito que realmente demonstra que a nossa procura direcionada por quasares duplos é muito eficaz," disse Hsiang-Chih Hwang, estudante na Universidade Johns Hopkins e investigador principal do programa Hubble. "Abre uma nova direção onde podemos acumular sistemas muito mais interessantes para acompanhar, o que os astrónomos não eram capazes de fazer com técnicas ou conjuntos de dados anteriores."

A equipa também obteve observações de acompanhamento com os telescópios Gemini do NOIRLab da NSF (National Science Foundation). "A espectroscopia espacialmente resolvida dos Gemini pode rejeitar sem ambiguidades intrusos devido a sobreposições casuais de sistemas quasar-estrela não associados, onde a estrela no plano da frente está por coincidência alinhada com o quasar de fundo," disse Yu-Ching Chen, estudante da Universidade do Illinois em Urbana-Champaign.

Embora a equipa esteja convencida do seu resultado, dizem que há uma pequena chance de que os instantâneos do Hubble capturaram imagens duplas do mesmo quasar, uma ilusão provocada por lentes gravitacionais. Este fenómeno ocorre quando a gravidade de uma grande galáxia em primeiro plano divide e amplia a luz de um quasar de fundo em duas imagens espelhadas. No entanto, os astrónomos pensam que este cenário é altamente improvável porque o Hubble não detetou nenhuma galáxia em primeiro plano perto dos dois pares de quasares.

As fusões galácticas eram mais abundantes há milhares de milhões de anos, mas algumas ainda acontecem hoje. Um exemplo é NGC 6240, um sistema próximo de galáxias em fusão que possui dois e provavelmente até três buracos negros supermassivos. Uma fusão galáctica ainda mais próxima ocorrerá daqui a alguns milhares de milhões de anos, quando a nossa própria Galáxia, a Via Láctea, colidir com a vizinha Galáxia de Andrómeda. A disputa galáctica provavelmente alimentaria os buracos negros supermassivos no núcleo de cada galáxia, acendendo-os como quasares.

Telescópios futuros podem fornecer mais informações sobre estes sistemas em fusão. O Telescópio Espacial James Webb da NASA, um observatório infravermelho com lançamento previsto para ainda este ano, vai estudar as galáxias hospedeiras dos quasares. O Webb vai mostrar as assinaturas de fusões galácticas, como a distribuição da luz das estrelas e as longas correntes de gás extraídas das galáxias em interação.

 

 


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Estas duas imagens pelo Telescópio Espacial Hubble revelam dois pares de quasares que existiam há 10 mil milhões de anos e que residem nos corações de galáxias em fusão. Cada um dos quatro quasares reside na sua galáxia hospedeira. Estas galáxias, no entanto, não conseguem ser observadas porque são demasiado ténues, até mesmo para o Hubble. Os quasares em cada par estão separados por apenas 10.000 anos-luz - a menor distância já vista nesta época cósmica. Os quasares são faróis brilhantes de luz intensa nos centros de galáxias distantes. São buracos negros supermassivos que se alimentam vorazmente de matéria. Este banquete frenético liberta uma torrente de radiação que pode ofuscar a luz coletiva de milhares de milhões de estrelas na galáxia hospedeira. O par da esquerda está catalogado como J0749+2255 e o par da direita como J0841+4825. Cada par de galáxias hospedeiras onde habitam cada quasar duplo vão eventualmente fundir-se. Os quasares vão orbitar-se intimamente até que espiralam para se fundir e coalescer, resultando num buraco negro ainda mais massivo mais solitário. A imagem de J0749+2255 foi capturada no dia 5 de janeiro de 2020. O instantâneo de J0841+4825 foi obtido no dia 30 de novembro de 2019. Ambas as imagens foram obtidas no visível com o instrumento WFC3 (Wide Field Camera 3) do Hubble.
Crédito: NASA, ESA, H. Hwang e N. Zakamska (Universidade Johns Hopkins), e Y. Shen (Universidade do Illinois em Urbana-Champaign)


// NASA (comunicado de imprensa)
// Hubblesite (comunicado de imprensa)
// Universidade do Illinois em Urbana-Champaign (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature Astronomy)

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Telescópio Espacial Hubble:
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Base de dados do Arquivo Mikulski para Telescópios Espaciais

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Programa Alertas de Ciência Fotométrica do Gaia
EDR3 do Gaia
SPACEFLIGHT101
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SDSS:
Página oficial
Wikipedia

Observatório Gemini:
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