Cientistas descobrem poderosa colisão cósmica dupla

Com participação de brasileiros, descoberta rendeu capa da edição inaugural da revista “Nature Astronomy”

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Imagem combinada em rádio - GMRT (vermelho), Raios-X - Chandra (azul), e óptico (Subaru) do par de aglomerados Abell 3411-12. - Imagem: Reinout van Weeren (Smithsonian External)
Quando dois aglomerados de galáxias muito massivos colidem, acontece uma fusão que pode levar à formação de ondas de choque. Imagem combinada em rádio – GMRT (vermelho), Raios X – Chandra (azul), e óptico (Subaru) do par de aglomerados Abell 3411-12. – Imagem: Reinout van Weeren (Smithsonian External)

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Quando Isaac Newton descreveu o que se tornou conhecido como a Lei da Gravitação Universal, no século 17, a capacidade tecnológica de observação do espaço era limitada às lunetas. Ainda assim, a descoberta, que se tornou usual para o grande público, continua a ser uma das bases para que astrônomos, munidos de telescópios e satélites que flagram de perto galáxias nos confins do U,niverso, solucionem inúmeros mistérios.

Após anos de estudos, um conjunto internacional de astrônomos descobriu uma colisão cósmica dupla como jamais vista antes. Dois dos mais poderosos fenômenos do Universo, um buraco negro supermassivo e a colisão de gigantescos aglomerados de galáxias, se combinaram para criar um acelerador de partículas descrito por eles como excepcional.

A descoberta, que rendeu a matéria de capa da edição inaugural da revista Nature Astronomy, foi liderada pelo astrofísico Reinout van Weeren, do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), e aconteceu com a colaboração dos brasileiros Felipe Andrade-Santos, também do CfA, coautor do estudo, e doutor pelo Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG) da USP; Vinicius Placco, que trabalha na Universidade de Notre Dame, nos EUA; e Rafael Miloni Santucci, doutorando do IAG.

Combinando dados do Observatório de Raios X Chandra (Nasa), e dos radiotelescópios GMRT, situados na Índia, os pesquisadores descobriram o que acontece quando a matéria ejetada por um gigantesco buraco negro é arrastada no processo de fusão de aglomerados de galáxias.

Essa colisão cósmica dupla se encontra no par de aglomerados de galáxias chamados Abell 3411 e Abell 3412, localizados a dois bilhões de anos-luz da Terra. Ambos os aglomerados são muito massivos, cada um com uma massa de aproximadamente um quatrilhão – ou um milhão de bilhão – de vezes a massa do Sol.
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 No gás quente (azul), partículas de alta energia que foram aceleradas por um buraco negro (ver a amplificação) são aceleradas novamente pela onda de choque, produzindo emissão em rádio (vermelho) - Imagem: Reinout van Weeren (Smithsonian External)
No gás quente (azul), partículas de alta energia que foram aceleradas por um buraco negro (ver a amplificação) são aceleradas novamente pela onda de choque, produzindo emissão em rádio (vermelho) – Imagem: Reinout van Weeren (Smithsonian External)

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O que são os aglomerados?

“Aglomerados de galáxias são as maiores estruturas do Universo. São formados por centenas, às vezes milhares de galáxias. Entre as galáxias reside um gás muito quente formado basicamente de elétrons e íons. Mas a maior parte da massa de um aglomerado se encontra na forma de matéria escura, que apenas conseguimos medir através do seu efeito gravitacional, pois não emite luz”, esclarece Andrade-Santos.

De acordo com o especialista, os aglomerados de galáxias se formam através da acreção (acréscimo) de material ao longo de filamentos cósmicos, e por acreção de outras estruturas já formadas como grupos e aglomerados de galáxias. Quando dois aglomerados muito massivos colidem, acontece a chamada fusão de aglomerados. Esse fenômeno pode levar à formação de ondas de choque.

Da mesma forma que um caça supersônico gera ondas de choque quando se movimenta pelo ar, quando um aglomerado se funde com outro, ondas de choque também podem ser geradas.”

Quando dois aglomerados colidem, a velocidade relativa entre eles pode exceder a velocidade do som no gás quente que reside entre as galáxias de cada aglomerado. Quando um objeto se move em um determinado meio com uma velocidade superior a velocidade do som do gás no qual estão envoltos, ondas de choque são criadas. No caso de aglomerados de galáxias, essas ondas de choque se propagam por centenas de milhões de anos ao longo deles.
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A emissão em rádio (vermelho) localizada ao sul é provavelmente produzida por processos similares pois vários buracos negros devem estar nessa região. - Imagem: Reinout van Weeren (Smithsonian External)
A emissão em rádio (vermelho) localizada ao sul é provavelmente produzida por processos similares pois vários buracos negros devem estar nessa região. – Imagem: Reinout van Weeren (Smithsonian External)

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Emissões brilhantes

“O que a gente sabe de longa data é que na região onde essas ondas de choque se encontram, muitas vezes detectamos emissão em rádio. Com radiotelescópio, conseguimos observar uma emissão brilhante. Muitas vezes alongada por milhões de anos-luz de comprimento”, ilustra o cientista.

Fazendo uso do Chandra, especialistas puderam observar os aglomerados de galáxias utilizando o comprimento de onda de raio X. “O raio X vem desse gás muito quente (100 milhões de graus Celsius) que permeia o aglomerado”, descreve Andrade-Santos.

A princípio, com dados ópticos do Observatório Keck, e do telescópio Japonês Subaru, ambos situados no topo do vulcão extinto Mauna Kea, no Havaí, foi possível detectar as galáxias em cada um dos aglomerados.

Após isso, o mistério a ser solucionado pelos especialistas era entender a origem dos elétrons que emitem em rádio em regiões que podem se estender por milhões de anos-luz de comprimento.

Conforme Andrade-Santos, havia várias teorias para explicar essa emissão. Uma delas era quando o gás era comprimido localmente, os elétrons se moviam de forma mais rápida emitindo luz em frequências maiores, e essa emissão poderia ser detectada em rádio. “Mas quando fazíamos as contas, elas não batiam”, aponta ele.

Parte dessa ideia vem do estudo de supernovas – eventos astronômicos que ocorrem durante os estágios finais da evolução de algumas estrelas, caracterizados por uma explosão muito brilhante – que famosamente emitem energia em rádio. Entretanto, no caso dos aglomerados, não estava claro como um choque relativamente fraco podia ser eficiente o suficiente para fazer os elétrons emitirem em rádio.

Para explicar isso, os cientistas apostaram numa teoria alternativa: já existia uma população de elétrons com alta energia nesta região, por isso, o choque entre os aglomerados precisaria dar apenas um “empurrão” nestes elétrons que, com isso, passariam a emitir em rádio.

Após anos de observação e cálculos, a teoria deixou de ser alternativa e foi comprovada no caso dos aglomerados em estudo. “Ficou claro para nós que já existia uma população de elétrons de alta energia na região do espaço dos aglomerados onde o choque só precisou aumentar a energia desses elétrons por um fator pequeno”, afirma Andrade-Santos ao explicar a origem dos tais elétrons foi atestada quando se notou que existia um buraco negro central na galáxia observada e era ele quem os acelerava no que chamou de “uma colisão cósmica dupla.”

“Inicialmente esses elétrons foram acelerados a altas energias pelo jato do buraco negro central e depois reacelerados pela onda de choque que se propagava pelos aglomerados”, resume ele. O processo, que leva milhões de anos, esclareceu o motivo principal da região ficar “acesa” e, consequentemente, detectável pelos cientistas.

Inicialmente, ao menos um buraco negro em um dos aglomerados acelerou para longe, a altas velocidades, parte do gás que fluía em sua direção. Então, essas partículas que foram aceleradas pelo buraco negro foram aceleradas ainda mais quando encontraram ondas de choque colossais produzidas pela colisão do gás quente associado com os aglomerados de galáxias.

“É como colocar um foguete em órbita que então é acelerado para fora do sistema solar por uma segunda propulsão”, elucidou Andrade-Santos ao esclarecer que estas partículas “estão entre as mais energéticas do Universo, graças à dupla injeção de energia”.

Trabalho em equipe, de olho no futuro

Dados do telescópio Soar, situado no Chile, que foi construído e é operado por um consórcio composto de instituições do Brasil e dos EUA, permitiram que os astrônomos confirmassem que a galáxia que abriga o buraco negro supermassivo que inicialmente acelerou as partículas pertence de fato ao par de aglomerados de galáxias Abell 3411-12.

“Era fundamental que confirmássemos que a galáxia pertencia de fato ao par de aglomerados, e que não estava apenas em projeção na região do céu onde se encontram os aglomerados”, afirma o coautor Vinicius Placco. “A alta tecnologia do telescópio Soar, combinada com o acesso remoto a partir da USP, nos permitiu obter o espectro da galáxia rapidamente, o que confirmou a sua localização no par de aglomerados”, revela Rafael Miloni Santucci, cujo campo de estudo é a evolução química do Universo.

Ao resolver um mistério de longa data sobre a origem da emissão em rádio em aglomerados de galáxias, os pesquisadores da área agora podem incluir novos dados para compreender o comportamento e a complexidade desses fenômenos.

“Quando calculamos parâmetros dos aglomerados de galáxias, como a massa e a temperatura do gás, assumimos várias hipóteses”, enumera Andrade-Santos. A partir desta descoberta, especialistas devem levar em conta que pode existir uma população de elétrons energizados no aglomerado, e um novo termo deve ser acrescentado na hora de calcular corretamente a massa do aglomerado.

A partir de agora, como revela Andrade-Santos, o próximo passo é encontrar diversos outros aglomerados que reproduzem as mesmas circunstâncias dos recentemente observados.

“Com um único exemplo não temos como inferir nada do ponto de vista estatístico. Por isso, o próximo passo sempre em astronomia uma vez que você descobre um caso é descobrir outros, entender propriedades gerais e fazer estudos estatísticos”, ressalva o astrônomo consciente de que, na ciência, toda descoberta é apenas uma porta para a solução de infindáveis novos enigmas.

Mais informações: e-mail fsantos@cfa.harvard.edu, com Felipe Andrade-Santos

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