Os pontos vermelhos representam os dados observados; a maior parte deles tem formas alongadas e as galáxias maiores tendem a ter uma elipticidade maior. As regiões em cinza representam as distribuições prováveis segundo cálculos de simulações em computador. Quando duas galáxias estão muito próximas, podem parecer uma única galáxia alongada, como mostram as figuras menores nas laterais.
Imagem cortesia de Ehime University
Um grupo de pesquisadores, empregando o instrumento Suprime-Cam do Telescópio Subaru, descobriu cerca de 80 jovens galáxias que existiram no universo primordial, em torno de 1,2 bilhões de anos após o Big Bang. A equipe, que tem membros da Ehime University, Nagoya University, Tohoku University, Space Telescope Science Institute (STScI) nos EUA e do California Institute of Technology, fizeram então análises detalhadas dos dados imageados dessas galáxias obtidas pela Advanced Camera for Surveys (ACS) do Telescópio Espacial Hubble. Ao menos 54 dessas galáxias têm imagens que permitem resolução espacial nas imagens da ACS. Entre estas, 8 galáxias exibem estruturas com dois componentes e as restantes 46 parecem ter estruturas alongadas. Através de pesquisas subsequentes, empregando uma simulação em computador, o grupo descobriu que as estruturas alongadas podem ter essa aparência se forem duas ou mais galáxias bem próximas entre si.
Estes resultados são um forte indício de que, após 1,2 bilhões de anos após o Big Bang, os aglomerados de galáxias do universo jovem cresceram, para se tornarem grandes galáxias através de fusões, o que, por sua vez, provoca uma ativa formação de estrelas. Esta pesquisa foi realizada coo parte do programa do legado do Telescópio Espacial Hubble, “Cosmic Evolution Survey (COSMOS)”. A poderosa capacidade de pesquisa do Telescópio Subaru forneceu a base de dados essencial para os objetos do estudo sobre o universo primevo.
A Importância do Estudo das Galáxias Primevas
No universo atual, a 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, existem muitas galáxias como a nossa Via Láctea, que contém cerca de 200 bilhões de estrelas em um disco com cem mil anos luz de diâmetro. Entretanto, definiitivamente não havia galáxias como ela pouco depois do Big Bang.
Essas aglomerações pré-galáticas parecem ter se formado no universo cerca de 200 milhões de anos após o Big Bang. Elas eram nuvens de gás frio, muito menores do que as atuais galáxias gigantes (cem vezes menores), com massas menores (um milhão de vezes menores). As primeiras galáxias se formaram quando as primeiras estrelas nasceram nessas aglomerações de gás. Essas pequenas aglomerações galáticas começaram, então, a se fundir com aglomerações próximas e, eventualmente, formaram as grandes galáxias.
Muito esforço tem sido dispendido nessas buscas profundas para detectar galáxias ativas com formação de estrelas no universo jovem. Como resultado, já se sabe que as galáxias mais antigas ficam a mais de 13 bilhões de anos luz. Nós as vemos em uma época em que o universo tinha somente 800 milhões de anos (ou cerca de 6% de sua idade atual). Entretanto, uma vez que a mioria das galáxias do universo jovem eram bem pequenas, não se conseguiu estudar suas estruturas em detalhes.
A Exploração do Universo Primevo com o Telescópio Espacial Hubble e o Telescópio Subaru
Enquanto o grande campo de observação do Telescópio Subaru desempenhou um papel importante em localizar essas jovens galáxias, a alta resolução espacial do Telescópio Espacial Hubble foi necessária para investigar os detalhes de seus formatos e suas estruturas internas. A equipe de pesquisas olhou para um ponto a 12,6 bilhões de anos no passado com uma abordagem por duas vias. O primeiro passo foi usar o Telescópio Subaru para uma busca profunda das galáxias primitivas e prosseguir com a investigação de seus formatos com a Advanced Camera for Surveys (ACS) a borod do Hubble. A ACS revelou que 8 das 54 galáxias tiham estruturas duplas, parecendo com a fusão de duas galáxias¹.
Então, apareceu a dúvida sobre se as outras 46 galáxias observadas eram mesmo galáxias individuais. Aqui, a equipe de pesquisa questionou quantas dessas galáxias exibiam formatos alongados nas imagens do Hubble. Isto porque tais aspectos alongados, junto com uma correlação positiva entre elipticidade² e tamanho, são um forte indício de que duas galáxias são tão próximas entre si que, com a atual resolução máxima da ACS, não se pode distinguir uma coisa de outra.
Para verificar se a ideia de galáxias próximas em um espaço apertado era viável, os pesquisadores usaram as assim chamadas simulações em computador de Monte Carlo. Primeiro, o grupo colocou duas fontes artificiais em posições aleatórias, com váris separações angulares, sobrepondo-as às imagens reais da ACS. Depois, o grupo tentou extrair as imagens com o mesmo método para as verdadeiras observações da ACS e mediu suas elipticidades e tamanhos.
A distribuição simulada bateu muito bem com os resultados observados. Ou seja, a maioria das galáxias vistas como uma fonte individual nas imagens da ACS poderiam ser mesmo duas galáxias em fusão. Entretanto, a distância entre duas galáxias em fusão é tão pequena que nem a alta resolução do Hubble consegue distinguí-las!
Se a ideia for válida para galáxias que parecem ser individuais, é possível presumir que as galáxias com as maiores taxas de atividade tenham menor tamanho. Isso é uma decorrência de que tamanhos menores implicam em uma menor separação entre duas galáxias em fusão. Se for mesmo o caso, tais galáxias estariam passando por uma intensa fase de formação de estrelas causada pela própria fusão.
Por outro lado, algumas galáxias com os menores tamanhos são pares razoavelmente separados, porém o ângulo de visada as faz parecer que são apenas uma, ou são mesmo galáxias formadoras de estrelas isoladas. Estas têm basicamente o mesmo tamanho de galáxias grandes.
A equipe confirmou que a relação observada entre atividade de formação de estrelas e tamanho é consistente com a ideia aventada pela equipe.
Até agora, os formatos e as estruturas das pequenas galáxias foram investigados com a ACS no Hubble. Se a fonte tivesse sido identificada como única pela ACS, ela foi tratada como uma única galáxia e seus parâmetros morfológicos foram avaliados. Esta pesquisa sugere que uma tal galáxia pequena pode consistir de duas (ou, talvez, mais) galáxias tão próximas que não podem ser distinguidas mesmo pela grande resolução angular da ACS.
Olhando para o Futuro pelo Estudo do Passado
As teorias correntes de formação de galáxias prediz que pequenas galáxias no universo jovem evoluíram em grandes galáxias através de fusões sucessivas. A pergunta permanece: qual será o próximo passo nos estudos e observações dobre a formação de galáxias no universo jovem? Esta é uma fronteira que precisa dos futuros “super-telescópios”, tais como o Telescópio de Trinta Metros e o Telescópio Espacial James Webb. Eles permitirão as próximas descobertas no estudo da formação das primeiras galáxias e sua evolução.
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Notas:
1. Um tamanho médio (ou seja, o diâmetro médio do círculo que engloba metade da luz total da galáxia) de galáxias individuais é de cerca de 5,5 mil anos luz. Uma distância média entre duas pequenas galáxias será de 13.000 anos luz.
2. A elipticidade é definida como 1 – b/a, onde a e b representam os raios maior e menor de uma eslipse. No caso de um círculo, a elipticidade será igual a zero, já que a = b. Um formato mais alongado corresponde a uma maior elispticidade.
Volumes sob tensão interna se racham de maneira hierárquica, revelando como a gravidadde criou a variedade de tamanhos de corpos cósmicos
DUKE UNIVERSITY
O mesmo princípio de física que faz com que tinta e lama rachem, funciona na formação dos corpos celestes de diversos tamanhos, afirma um professor de engenharia da Duke.
CRÉDITO DA IMAGEM: NASA
DURHAM, N.C. — Um teórico da Duke afirna que há uma boa razão pela qual os objetos no universo têm uma larga gama de tamanhos, desde as maiores estrelas, aos menores grãos de poeira – e que isso tem a ver com o modo como a tinha racha quando seca.
Em um artigo, publicado na edição de 01 de março de Journal of Applied Physics, Adrian Bejan, o Professor “J.A. Jones” de engenharia mecânica da Universidade Duke, explica como a necessidade de liberar tensões internas moldou o universo tal qual o vemos.
Muito embora fosse grande e espalhado de forma que nem podemos imaginar, o universo primitivo pode ser encarado como um volume finito de partículas em suspensão. E porque todo objeto no universo exerce uma força gravitacional sobre todos os outros objetos no universo, este volume tem uma tensão interna.
Era apenas uma questão de tempo para que as partículas começassem a se juntar para formar objetos maiores. Mas por que elas se juntaram formando objetos com uma tal variedade de tamanhos, em vez de uma maneira uniforme?
“Sabemos, a partir de nossa experiência com as coisas comuns que coisas com tensões internas tendem a se rachar e elas se racham instantaneamente em todos os lugares”, diz Bejan. “O exemplo mais simples é o da tinta que seca em uma parede. Na medida em que seca, ela encolhe, pondo todo o sistema sob tensão. E então, bum! Subitamente, de uma hora para a outra, ela se racha, liberando a tensão. E o padrão para esta liberação é hierárquico, o que significa: poucos pedaços grandes e muitos pequenos”.
Segundo Bejan, este padrão de liberação segue a Lei Constructal, proposta por ele em 1996. A Lei Constructal declara que qualuqer sistema em fluxo, quando permitido se modificar livremente ao longo do tempo, tenderá a ter uma arquitetura de fluxo mais fácil. Para rios, raízes e sistemas vasculares, isto significa uns poucos canais maiores com fluxos massivos, até pequenas ramificações de alívio. Para um universo jovem, com partículas puxando em todas as direções, isto significa que a tensão interna é liberada da forma mais rápida possível.
Com uma série de experiências teóricas e equações simples de física, o artigo de Bejan demonstra que a maneira mais rápida para liberar a tensão era através da formação de corpos em uma hierarquia. Ou seja, ele demonstra que, se todos os corpos se formassem com o mesmo tamanho, a tensão não seria liberada de maneira tão eficaz como quando se formam poucos corpos grandes, junto com vários corpos menores.
Exatamente como as rachaduras na pintura.
“Todo o processo de rachadura volumétrica é hierárquico. Nunca iremos observar uma rachadura uniforme”, afirma Bejan. “Na mecânica celeste, existe uma noção muito antiga de que os corpos coalescem e crescem devido à gravidade, o que, é claro, é correto. Crescimento é uma coisa, porém o crescimento hierárquico é outra que se chama natureza”.
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“The physics origin of the hierarchy of bodies in space.” A. Bejan e R.W. Wagstaff. Journal of Applied Physics, 2016. DOI: 10.1063/1.4941986
A análise dos dados ajudará os cientistas a compreender o papel da matéria escura na formação das galáxias
DOE/FERMI NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY
IMAGEM: Este é o primeiro mapa do Dark Energy Survey que detalha a distribuição da matéria escura ao longo de uma grande área dos céus. As cores representam as densidades projetadas: vermelho e amarelo, as de maior densidade. O mapa de matéria escura reflete o quadro atual de distribuição de massas no universo, onde grandes filamentos de matéria se alinham com galáxias e aglomerados de galáxias. Os aglomerados de galáxias são representados pelas manchas cinzentas no mapa – manchas maiores representam aglomerados maiores. Este mapa cobre 3% da área dos céus que será eventualmente pesquisada pelo DES em sua missão de cinco anos.
CRÉDITO: DARK ENERGY SURVEY
Os cientistas do Dark Energy Survey divulgaram o primeiro de uma série de mapas da matéria escura no cosmos. Esses mapas, criados com uma das câmeras digitais mais poderosas do mundo, são os maiores mapas contínuos com este nível de detalhe e ajudarão nossa compreensão do papel da matéria escura na formação das galáxias. A análise da granulação da matéria escura nos mapas também permitirá aos cientistas exploraram a natureza da msiteriosa energia escura que se acredita estar causando a aceleração da expansão do universo.
Os novos mapas foram divulgados hoje na reunião de abril da American Physical Society em Baltimore, Maryland. Eles foram criados a partir dos dados obtidos pela Câmera de Energia Escura (Dark Energy Camera), um dispositivo de imageamento de 570 megapixels que é o principal instrumento do Dark Energy Survey (DES).
A matéria escura, a misteriosa substância que responde por cerca de um quatro do universo, é invisível até para os mais sensíveis instrumentos astronômicos porque não emite ou absorve luz. Mas seus efeitos podem ser vistos através do estudo de um fenômeno chamado de lente gravitacional – a distorção que ocorre quando a gravidade da matéria escura desvia a luz em torno de galáxias distantes. A compreensão do papel da matéria escura é parte do programa de pesquisa para quantificar o papel da energia escura, o objetivo principal deste levantamento.
A presente análise foi liderada por Vinu Vikram do Argonne National Laboratory (então na Universidade de Pennsylvania) e Chihway Chang do ETH Zurich. Vikram, Chang e seus colaboradores na Penn, no ETH Zurich, na Universidade de Portsmouth, na Universidade de Manchester e outras instituições associadas ao DES, trabalharam por mais de um ano para validar os mapas das lentes gravitacionais.
“Nós medimos as distorções quase imperceptíveis nas aparências de cerca de 2 milhões de galáxias para construir esses novos mapas”, declarou Vikram. “Eles são um testemunho, não só da sensibilidade da Câmera de Energia Escura, como também do rigoroso trabalho de nossa equipe de análise de lentes gravitacionais para compreender sua sensibilidade tão bem que fomos capazes de obter resultados de tamanha precisão”.
A câmera foi construída e testada no Fermi National Accelerator Laboratory, do Departamento de Energia do governo dos EUA, e montada no telescópio de 4 metros Victor M. Blanco no Observatório Internacional de Cerro Tololo no Chile. Os dados foram processados no Centro Nacional de Aplicações de Supercomputação na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.
O mapa da matéria escura divulgado hoje resulta das primeiras observações do DES e cobre 3% da área dos céus que será coberta nos cinco anos da missão do DES. O levantamento acaba de completar seu segundo ano. Na medida em que os cientistas expandirem suas buscas, serão capazes de testar as correntes teorias cosmológicas, comparando as quantidades de matéria visível e escura.
As teorias correntes sugerem que, uma vez que existe muito mais matéria escura do que matéria visível no universo, as galáxias devem se formar onde estejam presentes grandes concentrações de matéria escura (e, portanto, maior atração gravitacional). Até agora, as análises do DES sustentam esta hipótese: os mapas mostram grandes filamentos de matéria ao longo dos quais as galáxias e aglomerados de galáxias de matéria visível existem, assim como grandes vazios onde existem poucas galáxias. Os estudos subsequentes de alguns filamentos e vazios, assim como o enorme volume de dados coletados pelo levantamento, revelarão mais acerca desta interação entre massa e luz.
“Nossa análise, até agora, é coerente com o quadro previsto para nosso universo”, diz Chang. “Ao darmos um zoom para dentro dos mapas, pudemos medir como a matéria escura envolve galáxias de diferentes tipos e como evoluem em conjunto ao longo do tempo cósmico. Estamos ansiosos para usar os novos dados que estão chegando para podermos realizar testes mais precisos ainda dos modelos teóricos”
