Usando o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), do qual o ESO é parceiro, os astrônomos descobriram um grande reservatório de gás quente no aglomerado de galáxias ainda em formação ao redor da galáxia Spiderweb – a detecção mais distante desse gás quente até agora. Os aglomerados de galáxias são alguns dos maiores objetos conhecidos no Universo e este resultado, publicado hoje na Nature, revela quão cedo essas estruturas começam a se formar.
Aglomerados de galáxias, como o nome sugere, hospedam um grande número de galáxias – às vezes até milhares. Eles também contêm um vasto “meio intraaglomerado” (ICM) de gás que permeia o espaço entre as galáxias no aglomerado. Este gás, de fato, supera consideravelmente as próprias galáxias. Grande parte da física dos aglomerados de galáxias é bem compreendida; no entanto, as observações das primeiras fases de formação do ICM permanecem escassas.
Anteriormente, o ICM só havia sido estudado em aglomerados de galáxias próximos totalmente formados. Detectar o ICM em protoaglomerados distantes – isto é, aglomerados de galáxias ainda em formação – permitiria aos astrônomos capturar esses aglomerados nos estágios iniciais de formação. Uma equipe liderada por Luca Di Mascolo, primeiro autor do estudo e pesquisador da Universidade de Trieste, na Itália, estava ansiosa para detectar o ICM em um protoaglomerado dos estágios iniciais do Universo.
Os aglomerados de galáxias são tão massivos que podem reunir gás que se aquece à medida que cai em direção ao aglomerado. “Simulações cosmológicas previram a presença de gás quente em protoaglomerados por mais de uma década, mas faltam confirmações observacionais”, explica Elena Rasia, pesquisadora do Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF) em Trieste, Itália, e coautora de o estudo. “Buscar essa confirmação observacional chave nos levou a selecionar cuidadosamente um dos protoaglomerados candidatos mais promissores.” Esse foi o protoaglomerado Spiderweb, localizado em uma época em que o Universo tinha apenas 3 bilhões de anos. Apesar de ser o protoaglomerado mais intensamente estudado, a presença do ICM permaneceu indefinida. Encontrar um grande reservatório de gás quente no protoaglomerado Spiderweb indicaria que o sistema está a caminho de se tornar um aglomerado galáctico adequado e duradouro, em vez de se dispersar.
A equipe de Di Mascolo detectou o ICM do protoaglomerado Spiderweb através do que é conhecido como efeito térmico Sunyaev-Zeldovich (SZ). Esse efeito acontece quando a luz do fundo cósmico de micro-ondas – a radiação relíquia do Big Bang – passa pelo ICM. Quando esta luz interage com os elétrons em movimento rápido no gás quente, ela ganha um pouco de energia e sua cor, ou comprimento de onda, muda ligeiramente. “Nos comprimentos de onda corretos, o efeito SZ aparece como um efeito de sombreamento de um aglomerado de galáxias no fundo cósmico de micro-ondas”, explica Di Mascolo.
Ao medir essas sombras na radiação cósmica de fundo, os astrônomos podem inferir a existência do gás quente, estimar sua massa e mapear sua forma. “Graças à sua resolução e sensibilidade inigualáveis, o ALMA é a única instalação atualmente capaz de realizar essa medição para os progenitores distantes de aglomerados maciços,” diz Di Mascolo.
Eles determinaram que o protoaglomerado Spiderweb contém um vasto reservatório de gás quente a uma temperatura de algumas dezenas de milhões de graus Celsius. Anteriormente, o gás frio havia sido detectado neste protoaglomerado, mas a massa do gás quente encontrada neste novo estudo o supera em milhares de vezes. Esta descoberta mostra que o protoaglomerado Spiderweb deve se transformar em um enorme aglomerado de galáxias em cerca de 10 bilhões de anos, aumentando sua massa em pelo menos um fator de dez.
Tony Mroczkowski, co-autor do artigo e pesquisador do ESO, explica que “este sistema exibe enormes contrastes. O componente térmico quente destruirá grande parte do componente frio conforme o sistema evolui, e estamos testemunhando uma transição delicada”. Ele conclui que “ele fornece confirmação observacional de previsões teóricas de longa data sobre a formação dos maiores objetos ligados gravitacionalmente no Universo”.
Estes resultados ajudam a estabelecer as bases para sinergias entre o ALMA e o próximo Extremely Large Telescope (ELT) do ESO, que “revolucionará o estudo de estruturas como a teia de aranha”, afirma Mario Nonino, coautor do estudo e investigador do Astronomical Observatório de Trieste. O ELT e seus instrumentos de última geração, como o HARMONI e o MICADO, serão capazes de perscrutar os protoaglomerados e nos contar sobre as galáxias neles em grande detalhe. Juntamente com as capacidades do ALMA para rastrear o ICM em formação, isso fornecerá uma visão crucial da montagem de algumas das maiores estruturas do Universo primitivo.
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Esta pesquisa foi apresentada no artigo “Forming intracluster gas in a galaxy protocluster at a redshift of 2.16” a ser publicado na Nature (doi: 10.1038/s41586-023-05761-x)
A equipe é composta por Luca Di Mascolo (Unidade de Astronomia, Universidade de Trieste, Itália [UT]; INAF – Osservatorio Astrofisico di Trieste, Itália [INAF Trieste]; IFPU – Instituto de Física Fundamental do Universo, Itália [IFPU]), Alexandro Saro (UT; INAF Trieste; IFPU; INFN – Sezione di Trieste, Itália [INFN]), Tony Mroczkowski (European Southern Observatory, Germany [ESO]), Stefano Borgani (UT; INAF Trieste; IFPU; INFN), Eugene Churazov (Max-Planck-Institute für Astrophysik, Alemanha; Space Research Institute, Rússia), Elena Rasia (INAF Trieste; IFPU), Paolo Tozzi (INAF – Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Itália), Helmut Dannerbauer (Instituto de Astrofísica de Canárias, Espanha ; Universidad de La Laguna, Espanha), Kaustuv Basu (Argel ander Institute for Astronomy, University of Bonn, Germany), Christopher L. Carilli (National Radio Astronomy Observatory, EUA), Michele Ginolfi (ESO; Dipartimento di Fisica e Astronomia, University de Florença, Itália), George Miley (Observatório de Leiden, Universidade de Leiden, Holanda), Mario Nonino (UT), Maurilio Pannella (UT; INAF Trieste; IFPU), Laura Pentericci (INAF – Osservatorio Astronomico di Roma, Itália), Francesca Rizzo (Cosmic Dawn Center, Dinamarca; Niels Bohr Institute, Dinamarca)
O Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), uma instalação astronômica internacional, é uma parceria do ESO, da National Science Foundation (NSF) dos EUA e dos Institutos Nacionais de Ciências Naturais (NINS) do Japão em cooperação com a República do Chile. O ALMA é financiado pelo ESO em nome dos seus Estados-Membros, pela NSF em cooperação com o Conselho Nacional de Investigação do Canadá (NRC) e o Ministério da Ciência e Tecnologia (MOST) e pelo NINS em cooperação com a Academia Sinica (AS) em Taiwan e o Instituto Coreano de Astronomia e Ciência Espacial (KASI). A construção e as operações do ALMA são lideradas pelo ESO em nome dos seus Estados Membros; pelo National Radio Astronomy Observatory (NRAO), administrado pela Associated Universities, Inc. (AUI), em nome da América do Norte; e pelo Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ) em nome da Ásia Oriental. O Joint ALMA Observatory (JAO) fornece a liderança unificada e gestão da construção, comissionamento e operação do ALMA.
Publicado em 31/03/2023 17h13
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