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Concepção artística de buraco negro supermassivo secundário recém-descoberto orbitando o principal buraco negro supermassivo central da galáxia Cygnus A. Crédito: Bill Saxton, NRAO / AUI / NSF
Apontando o Very Large Array (VLA) em uma galáxia famosa pela primeira vez em duas décadas, uma equipe de astrônomos teve uma grande surpresa, achando um novo objeto brilhante próximo do núcleo da galáxia. O objeto, os cientistas concluíram, ou é um tipo muito raro de explosão supernova ou, mais provavelmente, uma explosão de um segundo buraco negro supermassivo orbitando próximo ao principal BNSM da galáxia, o buraco negro supermassivo central.
Os astrônomos observaram Cygnus A, uma galáxia conhecida e muitas vezes estudada pelo pioneiro da rádio-astronomia Grote Reber em 1939. A descoberta de rádio foi acompanhada de uma imagem de luz visível em 1951, e a galáxia, que está a cerca de 800 milhões de anos-luz de Terra, foi um alvo precoce da VLA após a sua conclusão no início dos anos 1980. Imagens detalhadas do VLA publicadas em 1984 produziram grandes avanços na compreensão do que eram os 'jatos' super rápidos de partículas subatômicas no espaço intergaláctico devido a energia gravitacional dos buracos negros supermassivos nos núcleos de galáxias.
"Este novo objeto pode ter muito a nos dizer sobre a história desta galáxia", disse Daniel Perley, do Instituto de Pesquisa Astrofísica de Liverpool John Moores University, no Reino Unido, principal autor de um artigo no Astrophysical Journal anunciando a descoberta.
"As imagens do VLA de Cygnus A da década de 1980 marcaram o estado da capacidade de observação naquele tempo", disse Rick Perley, do National Radio Astronomy Observatory (NRAO). "Por isso, nós não olhamos para Cygnus A novamente até 1996, quando novos componentes eletrônicos do VLA tinham fornecido uma nova gama de radiofrequências para as nossas observações." O novo objeto não aparece nas imagens feitas em seguida.
"No entanto, a atualização do VLA, que foi concluída em 2012 fez dele um telescópio muito mais poderoso, então nós queríamos ter um olhar para Cygnus A com a utilização de novas capacidades do VLA", disse Perley.
Daniel e Rick Perley, juntamente com Vivek Dhawan, e Chris Carilli, ambos da NRAO, começaram as novas observações em 2015, e continuou-las em 2016.
"Para nossa surpresa, encontramos uma nova característica proeminente próxima do núcleo da galáxia que não apareceu em nenhuma das imagens publicadas anteriormente. Este novo objeto é brilhante o suficiente para que nós definitivamente possamos ver nas imagens anteriores se nada tivesse mudado", disse Rick Perley. "Isso significa que ele deve ter surgido em algum momento entre 1996 e agora", acrescentou.
Os cientistas então observaram Cygnus A com o Very Long Baseline Array (VLBA), em novembro de 2016, detectando claramente o novo objeto. Um objecto infravermelho fraco também foi visto na mesma localização em observações do telescópio espacial Hubble e Keck, originalmente entre 1994 e 2002. Os astrônomos infravermelhos, do Lawrence Livermore National Laboratory, atribuíram o objeto à um grupo denso de estrelas, mas o dramático brilho de rádio está forçando uma nova análise.
imagens em radio (laranja) da região central da Cygnus A do VLA, sobreposta na imagem do telescópio espacial Hubble entre 1989 e 2015. Gif animado. Crédito:. Perley, et ai, NRAO / AUI / NSF, NASA
O que é este novo objeto? Com base nas suas características, os astrônomos concluíram que deve ser uma explosão de supernova ou uma explosão de um segundo buraco negro supermassivo, próximo do centro da galáxia. Enquanto eles assistem o comportamento futuro do objeto para ter certeza, eles apontaram que o objeto se manteve muito brilhante por muito tempo para ser coerente com qualquer tipo conhecido de supernova.
"Devido ao seu brilho extraordinário, nós consideramos a explicação de supernova improvável", disse Dhawan.
O novo objeto definitivamente está separado do buraco negro central de Cygnus A, por cerca de 1500 anos-luz, e tem muitas das características de um buraco negro, entre uma dela é a capacidade de se alimentar rapidamente do material circundante.
"Nós pensamos que teríamos encontrado um segundo buraco negro supermassivo nesta galáxia, indicando que ela se fundiu com outra galáxia no passado astronomicamente-recente", disse Carilli. "Estes dois seriam um dos pares mais próximos dos buracos negros supermassivos já descobertos."
Os astrônomos sugeriram que o segundo buraco negro tornou-se visível para o VLA nos últimos anos, porque ele encontrou uma nova fonte de material para devorar. Esse material, segundo eles, poderia ser tanto de gás interrompido por fusão das galáxias ou uma estrela que passou perto o suficiente para o buraco negro secundário a capturasse com sua poderosa gravidade.
"Outras observações nos ajudarão a resolver algumas destas questões. Além disso, se este for um buraco negro secundário, podemos ser capazes de encontrar outros em semelhantes galáxias", disse Daniel Perley.
Rick Perley foi um dos astrônomos que fizeram as observações originais em Cygnus A com o VLA na década de 1980. Daniel Perley é seu filho, agora também um astrônomo.
"Daniel tinha apenas dois anos quando observamos pela primeira vez Cygnus A com o VLA", disse Rick. Como um estudante do ensino médio em Socorro, Novo México, Daniel usou dados VLA para um projeto de feira de ciências premiado que o levou para o nível internacional da concorrência, o que lhe rendeu um doutorado em astronomia.
Traduzido e adaptado de Phys.
Os buracos negros têm uma má reputação na cultura popular por "engolir tudo" em seus ambientes. Na realidade, estrelas, gás e poeira pode orbitam buracos negros por longos períodos de tempo, até que uma grande perturbação empurra o material para dentro.
Esta ilustração compara o crescimento de buracos negros supermassivos em dois tipos diferentes de galáxias. Um buraco negro supermassivo crescente em uma galáxia normal teria uma estrutura em forma de rosca com gás e poeira à sua volta (à esquerda). Em uma galáxia de fusão (AGN), uma esfera de material obscurece o buraco negro (direita). Crédito: Observatório Astronômico Nacional do Japão
A fusão de duas galáxias é uma dessas perturbações. A medida que as galáxias se combinam e seus buracos negros centrais se aproximam, o gás e a poeira na vizinhança são empurrados para seus respectivos buracos negros. Uma enorme quantidade de radiação de alta energia é liberada a medida que o material espirala rapidamente em direção ao buraco negro faminto, o que se torna o que os astrônomos chamam de um núcleo galáctico ativo (AGN).
Um estudo usando o telescópio NUSTAR da NASA mostra que nos últimos estágios de fusões de galáxias, tanto o gás quanto a poeira caem em direção a um buraco negro na qual o AGN está envolto. O efeito combinado da gravidade das duas galáxias retardam as velocidades de rotação do gás e poeira que de outro modo estariam orbitando livremente. Esta perda de energia faz com que o material caia para o buraco negro.
"Quanto mais longa a fusão é, mais envolto o AGN vai ser", disse Claudio Ricci, principal autor do estudo publicado no Monthly Notices Royal Astronomical Society. "Galáxias que estão em estágios finais do processo de fusão estão completamente cobertas de um casulo de gás e pó."
Ricci e colegas observaram a emissão de raios-X de alta energia de penetrando em 52 galáxias. Cerca de metade delas estavam nas fases posteriores da fusão. Como o NUSTAR é muito sensível para detectar os raios X de maior energia, era crítico estabelecer quanto de luz escapou da esfera de gás e poeira que estava cobrindo a AGN.
Os pesquisadores compararam observações das galáxias com dados do Swift da NASA e do Chandra e dos observatórios XMM-Newton da ESA, que se parecem com menores componentes de energia do espectro de raios-X. Se os raios X de alta energia forem detectados a partir de uma galáxia, mas os raios X de baixa energia não forem, isso será um sinal de que um AGN é fortemente obscurecido.
O estudo ajuda a confirmar a ideia de longa data que buraco negro de um AGN faz a maior parte de sua refeição nos estágios finais de uma fusão.
"Um buraco negro supermassivo cresce rapidamente durante estas fusões", disse Ricci. "Os resultados aumentam ainda mais a nossa compreensão das origens misteriosas da relação entre um buraco negro e sua galáxia hospedeira."
Explorar mais: sondas NUSTAR intrigantes galáxia fusão
Mais informações: C. Ricci et ai. Crescimento de buracos negros supermassivos em estágios finais de fusões de galáxias são fortemente obscurecidos, Monthly Notices da Royal Astronomical Society (2017). DOI: 10.1093 / mnras / stx173
Jornal de referência: Monthly Notices da Royal Astronomical Society
Phys
Observações usando o Very Large Telescope do ESO revelaram estrelas que se formam dentro saídas poderosas de material explodido para fora de buracos negros supermassivos em núcleos de galáxias. Estas são as primeiras observações confirmadas de estrelas que formam neste tipo de ambiente extremo. A descoberta tem muitas consequências para compreender as propriedades de galáxias e sua evolução. Os resultados foram publicados na revista Nature.
Um grupo liderado pelos astrônomos do Reino Unido utilizaram os instrumentos MUSE e X-atirador no Very Large Telescope (VLT) do Observatório Paranal do ESO, no Chile, para estudar uma colisão em curso entre duas galáxias, conhecida coletivamente como IRAS F23128-5919, que ficam a cerca de 600 milhões de anos-luz da Terra. O grupo observou os ventos colossais de material nas saídas - que se originam perto do buraco negro supermassivo no centro da galáxia ao sul do par - e encontraram a primeira evidência clara de que as estrelas estão nascendo dentro deles.
Tais saídas galácticas são movidas pela enorme produção de energia a partir dos centros ativos e turbulentos de galáxias. buracos negros supermassivos se escondem nos núcleos da maioria das galáxias, e quando eles engolem matéria eles também aquecem o gás circundante e expulsá-o da galáxia hospedeira em poderosos e densos.
"Os astrônomos pensaram por um momento que as condições dentro destas saídas poderiam ser boas para a formação de estrelas, mas ninguém viu isso acontecendo, uma vez que é uma observação muito difícil", comentou o líder da equipe Roberto Maiolino, da Universidade de Cambridge. "Nossos resultados são excitantes porque mostram de forma inequívoca que as estrelas estão sendo criadas dentro dessas saídas."
O grupo se propôs a estudar estrelas na saída diretamente, bem como o gás que as rodeia. Usando dois dos instrumentos de espectroscopia do VLT, MUSE e X-shooter, eles poderiam realizar um estudo muito detalhado das propriedades da luz emitida para determinar a sua origem.
A radiação de estrelas jovens é conhecida por causar um brilho em nuvens de gás próximas de uma forma particular. A sensibilidade extrema do X-shooter permitiu à equipe descartar outras causas possíveis para esta iluminação, incluindo choques de gás ou o núcleo ativo da galáxia.
O grupo, então, fez uma detecção direta inconfundível de uma população estelar infantil na saída. Estas estrelas são pensados para ser menos do que algumas dezenas de milhões de anos de idade, e uma análise preliminar sugere que eles são mais quentes e mais brilhantes do que estrelas formadas em ambientes menos extremos, como o disco galáctico.
Como mais uma prova, os astrônomos também determinaram o movimento e a velocidade dessas estrelas. A luz da maioria das estrelas da região indica que elas estão viajando a grandes velocidades à distância do centro da galáxia - o que faria sentido para objetos capturados em um fluxo de material em movimento rápido.
O co-autor Helen Russell (Instituto de Astronomia, Cambridge, UK) explana: "as estrelas que se formam no vento próximo do centro da galáxia podem desacelerar e começar a ir para dentro, mas as estrelas que se formam mais para fora no fluxo, experimentam menos desaceleração e podem até mesmo voar fora da galáxia por completo."
A descoberta fornece uma nova e excitante informação que pode melhorar a nossa compreensão de alguns conceitos astrofísicos, incluindo a forma como certas galáxias obter as suas formas; como o espaço intergaláctico torna-se enriquecido com elementos pesados; e até mesmo de onde inexplicável fundo infravermelho cósmica radiação podem surgir.
Maiolino está animado para o futuro: "Se a formação de estrelas está realmente ocorrendo na maioria dos saídas galácticas, como algumas teorias preveem, então isso poderia fornecer um cenário completamente novo para a nossa compreensão da evolução das galáxias."
Leia mais sobre a descoberta no comunicado de imprensa do Observatório Europeu do Sul.
Referência: R. Maiolino et al. “Star formation inside a galactic outflow.” Nature. 27 de março de 2017.
Traduzido e adaptado de Phys
Imagem do campo HST GOODS-Sul, uma das imagens mais profundas do céu, mas cobrindo apenas um milionésimo de sua área total. A nova estimativa para o número de galáxias é dez vezes maior do que o número visto nesta imagem. Crédito: (. UMass, Amherst) NASA / ESA / A PRODUTOS Team / M. Giavalisco
Uma equipe internacional de astrônomos, liderada por Christopher Conselice, professor de astrofísica da Universidade de Nottingham, descobriu que o universo contém, pelo menos, 2 trilhões de galáxias, dez vezes mais do que se pensava anteriormente. O trabalho da equipe, que começou com financiamento de sementes de trigo, da Royal Astronomical Society, apareceu no Astrophysical Journal hoje.
Os astrônomos têm procurado por muito tempo determinar quantas galáxias existem no universo observável, a parte do cosmo onde a luz de objetos distantes teve tempo para nos alcançar. Nos últimos 20 anos, os cientistas usaram imagens do Telescópio Espacial Hubble para estimar que o universo que podemos ver contém cerca de 100 a 200.000.000.000 galáxias. A tecnologia astronômica atual nos permite estudar apenas 10% dessas galáxias, e os restantes 90% seria visto apenas por telescópios maiores e melhores.
A pesquisa do prof Conselice é o culminar de um trabalho de 15 anos - parte financiado por uma bolsa de investigação da Royal Astronomical Society adjudicado à Aaron Wilkinson, um estudante de graduação no momento. Aaron, agora um estudante de doutoramento na Universidade de Nottingham, começou por realizar a análise de contagem inicial galáctica, o trabalho que foi crucial para estabelecer a viabilidade do estudo em maior escala.
A equipe do Prof Conselice converteu as imagens do espaço profundo de telescópios ao redor do mundo, e especialmente a partir do telescópio Hubble, em mapas 3-D. Estes lhes permitiram calcular a densidade de galáxias, bem como o volume de uma pequena região do espaço. Esta meticulosa investigação permitiu à equipe estabelecer quantas galáxias existem - bem como uma escavação arqueológica intergaláctica.
Os resultados deste estudo são baseados nas medições do número de galáxias observadas em diferentes épocas - instâncias diferentes no tempo - ao longo da história do universo. Quando o Prof Conselice e sua equipe na Nottingham, em colaboração com cientistas do Observatório Leiden na Universidade de Leiden, na Holanda e do Instituto de Astronomia da Universidade de Edimburgo, analisou quantas galáxias existiam em uma dada época, eles descobriram que houve um número significativamente mais em épocas anteriores.
Parece que quando o universo tinha apenas alguns bilhões de anos, havia dez vezes mais galáxias em um determinado volume de espaço do que dentro de um volume similar hoje. A maioria destas galáxias eram sistemas de baixa massa com massas semelhantes as das galáxias satélites em torno da Via Láctea.
Prof Conselice disse: "Isto é muito surpreendente, pois sabemos que, ao longo dos 13,7 bilhões de anos de evolução cósmica desde o Big Bang, galáxias foram crescendo através da formação de estrelas e fusões com outras galáxias. Encontrar mais galáxias no passado implica que uma evolução significativa deve ter ocorrido para reduzir o seu número através de uma extensa fusão de sistemas".
Ele continuou: "Estamos perdendo a grande maioria das galáxias, pois elas são muito fracas e longínquas. O número de galáxias no universo é uma questão fundamental na astronomia, e isso confunde a mente ao saber que mais de 90% das galáxias do cosmos ainda não foram estudadas. Quem sabe quais propriedades interessantes vamos encontrar quando estudarmos essas galáxias com a próxima geração de telescópios?"
O novo trabalho aparece em "The Evolution of Galaxy number density at Z < 8 and its implications", C. Conselice et al., The Astrophysical Journal, no prelo. A pré-impressão do papel está disponível no arXiv via arxiv.org/pdf/1607.03909v2.pdf
Traduzido e adaptado de Phys
NASA, ESA, the GOODS Team, and M. Giavialisco (University of Massachusetts, Amherst)
O universo de repente ficou muito mais preenchido, graças a um censo celeste profundo feito a partir de pesquisas obtidas pelo Telescópio Espacial Hubble da NASA e outros observatórios.
Usando dados de pesquisas no espaço profundo obtidas pelo Telescópio Espacial Hubble da NASA e outros observatórios, astrônomos realizaram um censo do número de galáxias no Universo. A equipe chegou à conclusão surpreendente que existe um número de galáxias no universo observável 10 vezes mais do que se pensava: cerca de 12 trilhões! Os resultados têm implicações claras para a nossa compreensão da formação de galáxias, e também ajuda a lançar luz sobre um antigo paradoxo astronômico - porque é que o céu é tão escuro à noite?
Ao analisar os dados, uma equipe liderada por Christopher Conselice da Universidade de Nottingham, Reino Unido, descobriu um número gigantesco de galáxias no universo primordial, 10 vezes maior do que se pensava hoje. A maioria destas galáxias eram relativamente pequenas e fracas, com massas semelhantes as das galáxias satélites em torno da Via Láctea. Como elas se fundiram para formar galáxias maiores, a densidade populacional de galáxias no espaço diminuiu. Isto significa que as galáxias não são distribuídas uniformemente ao longo da história do universo. Os relatórios da equipe de pesquisa são encontrados em um artigo publicado no The Astrophysical Journal.
"Estes resultados são uma poderosa evidência de que a evolução significativa das galáxias tem ocorrido ao longo da história do Universo, o que reduziu drasticamente o número de galáxias por meio de fusões entre elas, reduzindo assim o seu número total. Isto dá-nos uma verificação da formação de estruturas no Universo", explicou Conselice.
Uma das questões mais fundamentais da astronomia é a de quantas galáxias do Universo contém. O Hubble Deep Field, construído em meados dos anos 1990, deu a primeira visão real sobre população galáxia no Universo. Observações sensíveis subsequentes, tais como Ultra Deep Field do Hubble revelaram uma miríade de galáxias fracas. Isso levou a uma estimativa de que o universo observável continha cerca de 100 bilhões de galáxias. A nova pesquisa mostra que esta estimativa é pelo menos 10 vezes demasiado baixa.
Conselice e sua equipe chegaram a esta conclusão utilizando imagens do espaço profundo do Hubble e os dados já publicados de outras equipes. Eles meticulosamente converteram as imagens em 3-D, a fim de fazer medições precisas de o número de galáxias em diferentes épocas da história do Universo. Além disso, eles usaram novos modelos matemáticos, o que lhes permitiu inferir a existência de galáxias que a atual geração de telescópios não poderia observar. Isto levou à surpreendente conclusão de que, para que o número de galáxias que vemos agora e suas massas se somassem, deveria haver mais 90 por cento das galáxias no universo observável que são muito fracas e muito distantes para serem vistas com telescópios atuais. Essa miríade de pequenas galáxias fracas do início do Universo fundiu-se ao longo do tempo, de modo que hoje nós podemos observar galáxias maiores.
"Isso confunde a mente pensar que mais de 90 por cento das galáxias no Universo ainda não foram estudados. Quem sabe quais propriedades interessantes vamos encontrar quando descobrirmos essas galáxias com as futuras gerações de telescópios? No futuro próximo, o Telescópio Espacial James Webb será capaz de estudar estas galáxias ultra-fracas ", disse Conselice.
A diminuição do número de galáxias à medida que o tempo avança também contribui para a solução para Paradoxo de Olbers (formulado no início de 1800 pelo astrônomo alemão Heinrich Wilhelm Olbers): Porque é que o céu é tão escuro à noite, se o Universo contém uma infinidade de estrelas? A equipe chegou à conclusão de que, efetivamente, há realmente uma tal abundância de galáxias que, em princípio, cada pedaço no céu conteria parte de uma galáxia. No entanto, a luz das estrelas das galáxias é invisível ao olho humano e a maioria dos telescópios modernos, devido a outros fatores conhecidos, reduzem a luz visível e ultravioleta no Universo. Esses fatores são o avermelhamento da luz devido à expansão do espaço, a natureza dinâmica do Universo, e a absorção da luz pela poeira intergaláctica e gás. Tudo combinado, isso mantém o céu escuro da noite para a nossa visão.
O Universo não pára de surpreender!
Traduzido e adaptado de Science Daily
Simulações de computador ajudam os cosmólogos a desvendar o mistério de como o Universo evoluiu.
Astrônomos estão enfrentando um problema único. Enquanto os cientistas da maioria dos campos podem realizar experiências da física de partículas construindo aceleradores de partículas maciços para testar suas teorias de material subatômico, e microbiologistas sondam as propriedades de micróbios em placas de Petri - astrônomos não podem realizar experimentos com as estrelas e planetas. Até mesmo os telescópios mais avançados podem fornecer apenas instantâneos do cosmos, e muito poucas alterações durante nossas vidas.
No entanto, muitas questões permanecem, por exemplo, como a Via Láctea é formada, o que é a matéria escura e qual o papel dos buracos negros supermassivos no centro de galáxias. Em uma tentativa mais próxima de responder a estes mistérios não resolvidos, alguns cientistas deram início a projetos ambiciosos: criar universos virtuais.
A simulação EAGLE mostra como buracos negros supermassivos ajudam a moldar galáxias.
Evolução do Cosmos
A evidência observacional mais antiga do Universo vem da radiação cósmica de fundo, o brilho criado pelo Big Bang. cosmólogos computacionais utilizam estes dados para modelar as condições, neste momento, quando o Universo tinha cerca de algumas centenas de milhares de anos.
Em seguida, eles adicionaram os ingredientes básicos: matéria bariônica (ou comum), a partir do qual as estrelas e os planetas se formam; a matéria escura, que permite estruturas galácticas crescerem; e energia escura, a força misteriosa por trás aceleração cósmica. Estas são classificadas em uma simulação juntamente com as equações que descrevem vários processos físicos, tais como explosões de supernovas e buracos negros. Os cosmólogos, em seguida, esperaram que a simulação evoluísse: O universo virtual se expande, o gás se condensa em pequenas estruturas e, eventualmente, formam-se estrelas e galáxias.
"O interessante é que, se você fizer isso, o universo que se desenvolve em um computador parece muito com o universo real", diz Joop Schaye da Universidade de Leiden e o investigador principal do Projeto EAGLE (Evolução e Montagem de Galáxias e seus ambientes, em inglês Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments). "Você começa com galáxias de todos os tipos de tamanhos e morfologias que se parecem muito com as galáxias reais."
Grupos de todo o mundo estão trabalhando nessas simulações. Em 2014, tanto o projeto EAGLE e o Projeto illustris, liderados pelo astrofísico teórico Mark Vogelsberger do MIT, deram grandes passos à frente com seus inovadores universos realistas. Ambas as simulações são enormes, cobrindo um espaço cúbico de cerca de 300 milhões de anos-luz de cada lado. Eles também exigem uma boa quantidade de poder computacional e apenas uma corrida completa requer grandes supercomputadores executando durante meses seguidos.
"O que acabamos fazendo é rodar a grande simulação de uma vez, mas queremos entender por que o Universo se comporta da maneira que ele se comporta", diz Richard Bower, cosmólogo da Universidade de Durham e membro do Projeto de EAGLE. "Então, nós estamos executando muitas outras simulações onde nós mudaremos as coisas um pouco."
Estas simulações já revelaram algumas propriedades interessantes de galáxias em evolução. Bower e seus colegas, por exemplo, descobriram que o número e o tamanho das galáxias é dependente de um bom equilíbrio entre as supernovas e buracos negros.
Usando sua simulação, eles descobriram que, sem supernovas, o universo criaria demasiadas galáxias. Isso ocorre porque, sem supernovas explodindo, muitas pequenas galáxias não explodiriam junto com elas.
Por outro lado, eles descobriram que incluindo apenas supernovas, as galáxias cresceriam muito maciças - cerca de 10 vezes a massa da Via Láctea. Para gerenciar o tamanho dessas galáxias, eles precisavam também incluir buracos negros.
"O supernovas e buracos negros competem pelo mesmo material que é fornecido pela galáxia", explica Bower. "Uma vez que as supernovas começam a diminuir, o buraco negro assume, marcando o final da formação de estrelas e o início da formação de buracos negros cada vez maiores."
Densidade de matéria escura (à esquerda) faz a transição para a densidade do gás (à direita).A simulação EAGLE mostra como buracos negros supermassivos ajudam a moldar galáxias.
Evolução do Cosmos
A evidência observacional mais antiga do Universo vem da radiação cósmica de fundo, o brilho criado pelo Big Bang. cosmólogos computacionais utilizam estes dados para modelar as condições, neste momento, quando o Universo tinha cerca de algumas centenas de milhares de anos.
Em seguida, eles adicionaram os ingredientes básicos: matéria bariônica (ou comum), a partir do qual as estrelas e os planetas se formam; a matéria escura, que permite estruturas galácticas crescerem; e energia escura, a força misteriosa por trás aceleração cósmica. Estas são classificadas em uma simulação juntamente com as equações que descrevem vários processos físicos, tais como explosões de supernovas e buracos negros. Os cosmólogos, em seguida, esperaram que a simulação evoluísse: O universo virtual se expande, o gás se condensa em pequenas estruturas e, eventualmente, formam-se estrelas e galáxias.
"O interessante é que, se você fizer isso, o universo que se desenvolve em um computador parece muito com o universo real", diz Joop Schaye da Universidade de Leiden e o investigador principal do Projeto EAGLE (Evolução e Montagem de Galáxias e seus ambientes, em inglês Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments). "Você começa com galáxias de todos os tipos de tamanhos e morfologias que se parecem muito com as galáxias reais."
Grupos de todo o mundo estão trabalhando nessas simulações. Em 2014, tanto o projeto EAGLE e o Projeto illustris, liderados pelo astrofísico teórico Mark Vogelsberger do MIT, deram grandes passos à frente com seus inovadores universos realistas. Ambas as simulações são enormes, cobrindo um espaço cúbico de cerca de 300 milhões de anos-luz de cada lado. Eles também exigem uma boa quantidade de poder computacional e apenas uma corrida completa requer grandes supercomputadores executando durante meses seguidos.
"O que acabamos fazendo é rodar a grande simulação de uma vez, mas queremos entender por que o Universo se comporta da maneira que ele se comporta", diz Richard Bower, cosmólogo da Universidade de Durham e membro do Projeto de EAGLE. "Então, nós estamos executando muitas outras simulações onde nós mudaremos as coisas um pouco."
Estas simulações já revelaram algumas propriedades interessantes de galáxias em evolução. Bower e seus colegas, por exemplo, descobriram que o número e o tamanho das galáxias é dependente de um bom equilíbrio entre as supernovas e buracos negros.
Usando sua simulação, eles descobriram que, sem supernovas, o universo criaria demasiadas galáxias. Isso ocorre porque, sem supernovas explodindo, muitas pequenas galáxias não explodiriam junto com elas.
Por outro lado, eles descobriram que incluindo apenas supernovas, as galáxias cresceriam muito maciças - cerca de 10 vezes a massa da Via Láctea. Para gerenciar o tamanho dessas galáxias, eles precisavam também incluir buracos negros.
"O supernovas e buracos negros competem pelo mesmo material que é fornecido pela galáxia", explica Bower. "Uma vez que as supernovas começam a diminuir, o buraco negro assume, marcando o final da formação de estrelas e o início da formação de buracos negros cada vez maiores."
Zoom in
Existem dois tipos de simulações neste campo de simulações de volume de estudo representativo, o modelo de grandes volumes do universo observável, e simulações de zoom, que incidem sobre galáxias individuais ou aglomerados de galáxias.
A medida que os astrônomos coletam mais e mais detalhes instantâneos do universo, os cosmólogos como Andrew Pontzen da Universidade College London estão usando simulações de zoom para tentar investigar as propriedades das galáxias individuais no mesmo nível de especificidade. "Nós estamos tentando avançar na compreensão das galáxias individuais em detalhe suficiente para que possamos fazer comparações significativas com esses dados realmente na vanguarda", diz Pontzen.
Para fazer isso, Pontzen e seus colegas desenvolveram uma técnica chamada de modificação genética, que envolve a criação de muitas versões diferentes de galáxias. "Ele torna-se quase como um experimento", diz Pontzen. "Você tem o controle sobre determinadas formas de objetos e, em seguida, você pode dizer se eles se formam em uma determinada maneira em particular, em seguida, a galáxia que sai no final se parecerá com esses objetos." Por exemplo, você mudar a maneira com que a massa chega nas galáxias ao longo do tempo e ver como isso afeta a galáxia que emerge.
De forma semelhante, os cosmólogos trabalham com simulações de maior escala que podem "girar os botões", alterando algumas variáveis como leis da gravidade ou as propriedades da matéria escura, por exemplo, e ver como o universo que emergirá a partir disso, se parece. "Eu acho que é muito interessante tentar restringir as propriedades da matéria escura e energia escura através destas simulações", diz Vogelsberger. "Nós não sabemos o que são, mas por ajustes de parâmetros menores destes modelos, podemos tentar restringir as propriedades da matéria escura ou energia escura em mais detalhes."
Estes cientistas também trabalham em estreitas colaborações com os observadores para comparar como as simulações se comparam com o que está realmente lá fora no Universo. "Essa é a parte crítica", diz Pontzen. "Queremos ser capazes de relacionar todas essas coisas juntas."
Traduzido e adaptado de Symmetry Magazine
A surpreendente descoberta de um enorme galáxia do tamanho da Via Láctea feita de 99,99 por cento de matéria escura tem feito os astrônomos sonharem com novas ideias sobre como as galáxias se formam.
Os astrônomos sabem há muito tempo sobre pequenas galáxias dominadas de matéria escura. Nenhuma deveria ser tão grande quanto galáxias espirais comuns, tais como NGC 3810.
Entre as milhares de galáxias no Aglomerado Coma, um grupo enorme de matéria a cerca de 300 milhões de anos-luz de distância, existe pelo menos uma - e talvez algumas centenas - que não deveriam existir.
Dragonfly 44 é uma galáxia escura, com uma estrela para cada cem na nossa Via Láctea. Mas se estende pelo mesmo espaço que nossa galáxia, a Via Láctea, ocupa. Além disso, ela é massiva o suficiente para rivalizar com a nossa própria galáxia, de acordo com resultados publicados na Astrophysical Journal Letters, no final de agosto. Essa estranha combinação é crucial: Dragonfly 44 é tão escura e tão pesado que alguns astrônomos acreditam que ela vai forçar uma revisão de nossas teorias de formação de galáxias ou nos ajudar a compreender as propriedades da matéria escura, o material misterioso que interage com matéria normal por gravidade e por nenhuma outra coisa mais. Ou por ambas.
A descoberta veio quase por acidente. Os astrônomos Pieter van Dokkum, da Universidade de Yale e Roberto Abraham, da Universidade de Toronto estavam interessados em testar teorias de como as galáxias se formam através da procura de objetos que têm estado invisíveis até mesmo para os telescópios mais avançados: objetos fracos, ralos e estendidos no céu. Assim, sua equipe construiu a matriz de telefoto Dragonfly, uma coleção de lentes Canon modificada que concentra a luz em sensores de câmera comerciais. Esta configuração reduziu qualquer luz dispersa dentro do sistema que pode esconder um objeto escuro.
O plano era estudar as franjas fracas de galáxias próximas. Mas o famoso aglomerado Coma - a coleção de galáxias que há muito tempo inspirou a conjectura de astrônomo Fritz Zwicky sobre a existência da matéria escura - deu um sinal. Eles planejavam estudar a luz interna do aglomerado de Coma - o fraco brilho de estrelas soltas flutuando entre as galáxias do aglomerado.
Em vez disso, eles encontraram 47 manchas fracas que não sumiam. Estas manchas pareciam ter diâmetros aproximadamente o mesmo tamanho que a Via Láctea. Ainda de acordo com os modelos comumente aceitos de formação de galáxias, qualquer coisa tão grande não deveria ser tão fraca.
Nessas teorias, aglomerados de matéria escura semeiam o Universo com a luz. Em primeiro lugar, nuvens de matéria escura se aglutinam em halos de matéria escura relativamente densos. Em seguida, gases e fragmentos de outras galáxias, atraídos pela gravidade do halo, recolhem-se no centro. Eles giram para fora em um disco e colapsam em estrelas luminosas para formar algo que podemos ver através de telescópios. Todo o processo parece ser razoavelmente previsível em grandes galáxias como a nossa Via Láctea. Medindo o halo de matéria escura de uma galáxia ou sua variedade de estrelas, você deve ser capaz de prever o outro dentro de um fator de dois.
Depois de Abraham e van Dokkum perceberam que eles estavam olhando para 47 exceções, eles fizeram uma pesquisa através da literatura. Eles descobriram que bolhas difusas semelhantes têm estado na borda da descoberta desde os anos 1970. Van Dokkum considerou a substituição de chapas fotográficas astronômicas - que eram talvez mais adequadas para capturar objetos prolongados e difusos - por sensores digitais modernos podem realmente ter escondido essas bolhas.
Abraham e van Dokkum notaram pela primeira vez as suas manchas na primavera de 2014. Desde então, "galáxias ultra-difusas," semelhantes ou UDGs, foram descobertas em outros agrupamentos de galáxias como os aglomerados de Virgem e Fornax. E no conjunto do Coma, outro estudo sugeriu que pode haver mais de mil deles, incluindo 332 que são quase tão grandes quanto a Via Láctea.
Enquanto isso, a equipe da Dragonfly vem avançando o caso que estas novas galáxias fracas realmente são peças estranhas que desafiam a teoria atual. Elas são galáxias que falharam. A matéria escura está plantada nas sementes de um disco em espiral e nas estrelas, mas, de alguma formam, a estrutura luminosa não germina.
Nem todo mundo está tão convencido. Embora essas UDGs possam ser grandes, elas não são necessariamente maciças, argumentam alguns astrônomos. Uma ideia é que UDGs podem ser galáxias leves que parecem infladas porque elas estar sendo dilaceradas por marés gravitacionais do resto do aglomerado Coma.
Michelle Collins, um astrônomo da Universidade de Surrey, argumenta que "o único outro lugar que já vimos coisas que são tão extremos é o Grupo Local," referindo-se ao pequeno e fraco grupo de "galáxias anãs" que freqüentemente orbitam galáxias maiores como a nossa Via Láctea. "Elas são todas as coisas que estão sendo rasgadas." Isso faria com que a maioria dos UDGs sejam apenas grandes galáxias anãs se rasgando em pedaços.
Outra possibilidade depende da ideia de que as galáxias podem "respirar". No final de 2015, Kareem El-Badry, que era na época um estudante de graduação na Universidade de Yale, propôs que as galáxias podem inchar e, em seguida, entrar em colapso em tamanho por um fator de dois. Neste processo, o gás cai primeiro na galáxia, formando estrelas de grande massa - a respiração nas estrelas acabam rapidamente com as suas vidas em explosões de supernovas que lançam gás para fora da galáxia. O gás, eventualmente esfria, e a gravidade puxa-o de volta na direção do centro galáctico. Em uma galáxia solitária, este ritmo pode continuar indefinidamente. Mas no ambiente hostil do aglomerado Coma, onde o gás quente preenche o espaço entre as galáxias, o gás exala para fora, deixando toda a galáxia presa em um estado inchado.
No entanto, outra interpretação, sugerida em março de 2016 pelos astrofísicos da Universidade de Harvard Nicola Amorisco e Avi Loeb, é que as UDGs são galáxias comuns que estão apenas girando rápido. "Em nosso cenário, é muito natural", disse Loeb.
Essa ideia pega carona em teorias padrão de formação de galáxias, em que o gás derrama em um halo de matéria escura para construir uma galáxia. À medida que o material cai, ele começa a rodar. A quantidade de rotação determina o tamanho da final da galáxia. Sem muita rotação, a gravidade puxa a galáxia em uma forma compacta. Mas galáxias que ficam em um impulso de rotação grande podem girar-se para fora em discos grandes e leves.
A galáxia escura Dragonfly 44. A barra de escala representa uma distância de 10 kiloparsecs, ou cerca de 33.000 anos-luz.
Essas idéias podem muito bem explicar uma parte da população UDG's, de acordo com Abraham. "Provavelmente isso vai evoluir para uma mescla de coisas", disse ele. Mas de acordo com dados mais recentes do seu time, obtidos a partir de observações que se estendem a partir de 33,5 horas no telescópio de 10 metros Keck II, no Havaí, não há evidências de que a galáxia Dragonfly 44 está girando. Além disso, eles argumentam que a massa total da galáxia tem cerca de um trilhão de sóis - maciça o suficiente para impedir que seja rasgada como uma galáxia anã, e mais pesada do que as galáxias pensadas para soprar periodicamente.
Essa medição de massa é o ponto de atrito real, disse Philip Hopkins, astrofísico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia que está preparando vários documentos sobre as UDGs. Ele vem de duas observações de diferentes partes do Dragonfly 44. Em primeiro lugar, o movimento das estrelas em regiões interiores da galáxia sugerem que a área é enorme, cheia de matéria escura. Em segundo lugar, nos arredores da galáxia são o lar de uma série de aglomerados globulares - bolas antigas e compactas de estrelas. Assim como o número de estrelas em uma galáxia está normalmente ligado à quantidade de matéria escura, observações mostram que quanto mais galáxias os aglomerados globulares tem, maior a massa do seu halo de matéria escura. Dragonfly 44 tem tem o mesmo nível de massa da Via Láctea. Outras UDGs parecem ter lotes de aglomerados globulares, também.
A descoberta gerou interesse suficiente para ganhar o tempo precioso da equipe sobre o Telescópio Espacial Hubble para estudar enxames globulares da libélula 44. "A coisa que eu acho divertido é que estamos usando o telescópio mais poderoso da humanidade no espaço para acompanhar um grupo de teleobjetivas", disse Abraham. Para entender completamente a relação entre a matéria escura e os aglomerados globulares, no entanto, eles têm de medir os movimentos dos grupos - para o qual eles precisam esperar até que o Telescópio Espacial James Webb seja lançado em 2018.
Para teóricos como Ostriker, isso é uma perspectiva excitante. Se o movimento das estrelas em uma galáxia como Dragonfly 44 pode ser estudado de perto, seria um teste para as teorias de matéria escura atuais, que fazem previsões diferentes sobre a forma como a massa em falta deve ser distribuídos. A principal teoria, chamada matéria escura fria, sugere que a matéria escura deve surgir no centro de uma galáxia. Agora, porém, as galáxias escuras dominadas-pela-matéria que temos de estudar são galáxias anãs próximas, e elas não apresentam essa característica. "Muitas das propriedades que a matéria escura supostamente têm... essas pequenas galáxias não aparecem", disse Ostriker. "Mas nós dizemos: 'Nós realmente não sabemos como essas coisas foram formadas de qualquer maneira," e nós apenas mudamos de assunto. "
O caminho para entender as UDGs ainda não está claro, disse Abraham, mas espero que, pelo menos, algumas das ideias agora propostas vão persistir pelos próximos poucos anos de observações. "Em astronomia, ainda é válido para ser apenas um explorador. No caso de Dragonfly, somos como Leif Eriksson", disse ele. "Você já esteve a bordo do navio durante meses, e de repente alguém disse, 'Terra à vista!!' E não estava no mapa. "
Traduzido e adaptado de Quanta Magazine
Embora não seja uma ideia nova, esse aplicativo interativo é bastante espetacular e simples, se tornando ainda mais interessante pelo fato que foi criado por dois garotos gêmeos de 14 anos.
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Você também ode conferir a animação interativa no site dos gêmeos
(É uma animação em Flash, o que significa que não vai funcionar nos seus dispositivos iOS, infelizmente.)
Os gêmeos Huang, Michael (à esquerda) e Cary (à direita),
na época, alunos da nona série que claramente gostam de
ciência. (Foto: ABC News)
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