A gravidade de um cluster de galáxias produz imagens espelhadas da galáxia distante atrás dele
Olhar para o universo é como olhar no espelho de uma casa de diversões. Isso porque a gravidade distorce a estrutura do espaço, criando ilusões de ótica.
Muitas dessas ilusões de ótica aparecem quando a luz de uma galáxia distante é ampliada, esticada e iluminada ao passar por uma galáxia massiva ou aglomerado de galáxias à sua frente. Esse fenômeno, chamado de lente gravitacional, produz imagens múltiplas, ampliadas e iluminadas da galáxia de fundo.
Este fenômeno permite aos astrônomos estudar galáxias tão distantes que não podem ser vistas a não ser pelos efeitos das lentes gravitacionais. O desafio é tentar reconstruir as galáxias distantes a partir das formas estranhas produzidas por lentes.
Mas os astrônomos usando o Telescópio Espacial Hubble encontraram uma dessas formas estranhas enquanto analisavam quasares, os núcleos brilhantes de galáxias ativas. Eles avistaram dois objetos brilhantes e lineares que pareciam ser imagens espelhadas um do outro. Outro objeto estranho estava por perto.
As características confundiram tanto os astrônomos que levaram vários anos para desvendar o mistério. Com a ajuda de dois especialistas em lentes gravitacionais, os pesquisadores determinaram que os três objetos eram imagens distorcidas de uma galáxia distante e desconhecida. Mas a maior surpresa foi que os objetos lineares eram cópias exatas uns dos outros, uma ocorrência rara causada pelo alinhamento preciso da galáxia de fundo e do aglomerado de lentes de primeiro plano.
Os astrônomos viram algumas coisas bem estranhas espalhadas por nosso vasto universo, de estrelas explodindo a galáxias em colisão. Então, você pensaria que quando eles vissem um objeto celestial estranho, eles seriam capazes de identificá-lo.
Mas o telescópio espacial Hubble da NASA descobriu o que parece ser um par de objetos idênticos que parecem tão estranhos que os astrônomos levaram vários anos para determinar o que são.
“Ficamos realmente perplexos”, disse o astrônomo Timothy Hamilton, da Shawnee State University em Portsmouth, Ohio.
Os objetos estranhos consistem em um par de protuberâncias de galáxias (o centro de uma galáxia cheio de estrelas) e pelo menos três faixas divididas quase paralelas. Hamilton os avistou por acidente enquanto usava o Hubble para pesquisar uma coleção de quasares, os núcleos ardentes de galáxias ativas.
Depois de perseguir teorias sem saída, solicitar a ajuda de colegas e se esforçar muito, Hamilton e a equipe crescente, liderada por Richard Griffiths, da Universidade do Havaí em Hilo, finalmente reuniram todas as pistas para resolver o mistério.
Os objetos lineares eram as imagens ampliadas de uma galáxia distante com lentes gravitacionais, localizada a mais de 11 bilhões de anos-luz de distância. E, eles pareciam ser imagens no espelho um do outro.
A equipe descobriu que a imensa gravidade de um aglomerado de galáxias interveniente e não catalogado em primeiro plano estava distorcendo o espaço, ampliando, iluminando e esticando a imagem de uma galáxia distante atrás dela, um fenômeno chamado lente gravitacional. Embora as pesquisas do Hubble revelem muitas dessas distorções de espelho de casa de diversões causadas por lentes gravitacionais, este objeto era excepcionalmente desconcertante.
Nesse caso, um alinhamento preciso entre uma galáxia de fundo e um aglomerado de galáxias em primeiro plano produz cópias ampliadas gêmeas da mesma imagem da galáxia remota. Este fenômeno raro ocorre porque a galáxia de fundo se estende por uma ondulação no tecido do espaço. Essa “ondulação” é uma área de maior ampliação, causada pela gravidade de quantidades densas de matéria escura, a cola invisível que compõe a maior parte da massa do universo. Conforme a luz da galáxia distante passa pelo aglomerado ao longo dessa ondulação, duas imagens no espelho são produzidas, junto com uma terceira imagem que pode ser vista ao lado.
Griffiths compara esse efeito aos padrões de ondas brilhantes vistos no fundo de uma piscina. “Pense na superfície ondulada de uma piscina em um dia ensolarado, mostrando padrões de luz brilhante no fundo da piscina”, explicou ele. “Esses padrões brilhantes no fundo são causados por um tipo de efeito semelhante ao das lentes gravitacionais. As ondulações na superfície atuam como lentes parciais e focam a luz do sol em padrões brilhantes e ondulados no fundo.”
Na galáxia distante com lentes gravitacionais, a ondulação está ampliando muito e distorcendo a luz da galáxia de fundo que está passando pelo aglomerado. A ondulação atua como um espelho curvilíneo imperfeito que gera as cópias duplas.
Resolvendo o mistério
Mas esse fenômeno raro não era muito conhecido quando Hamilton avistou as estranhas características lineares em 2013.
Enquanto ele olhava através das imagens do quasar, o instantâneo das imagens espelhadas e listras paralelas se destacou. Hamilton nunca tinha visto nada parecido antes, nem outros membros da equipe.
“Meu primeiro pensamento foi que talvez eles estivessem interagindo com galáxias com braços esticados de maneira maré”, disse Hamilton. “Não se encaixou muito bem, mas eu não sabia mais o que pensar.”
Então, Hamilton e a equipe começaram sua busca para resolver o mistério dessas linhas retas tentadoras, mais tarde apelidadas de Objeto de Hamilton para seu descobridor. Eles mostraram a estranha imagem a colegas em conferências de astronomia, que provocaram uma variedade de respostas, de cordas cósmicas a nebulosas planetárias.
Mas então Griffiths, que não era membro da equipe original, ofereceu a explicação mais plausível quando Hamilton lhe mostrou a imagem em uma reunião da NASA em 2015. Era uma imagem ampliada e distorcida causada por um fenômeno de lente semelhante aos vistos no Hubble imagens de outros aglomerados de galáxias massivas que estão amplificando imagens de galáxias muito distantes. Griffiths confirmou essa ideia quando soube de um objeto linear semelhante em uma das pesquisas de cluster profundo do Hubble.
Os pesquisadores, porém, ainda tinham um problema. Eles não conseguiram identificar o agrupamento de lentes. Normalmente, os astrônomos que estudam aglomerados de galáxias primeiro veem o aglomerado em primeiro plano que está causando a lente e, em seguida, encontram as imagens ampliadas de galáxias distantes dentro do aglomerado. Uma busca nas imagens do Sloan Digital Sky Survey revelou que um aglomerado de galáxias residia na mesma área que as imagens ampliadas, mas não apareceu em nenhuma pesquisa catalogada. No entanto, o fato de as estranhas imagens estarem no centro de um aglomerado deixou claro para Griffiths que o aglomerado estava produzindo as imagens das lentes.
O próximo passo dos pesquisadores foi determinar se as três imagens com lentes estavam na mesma distância e, portanto, eram todos os retratos distorcidos da mesma galáxia distante. Medidas espectroscópicas com os observatórios Gemini e W. M. Keck no Havaí ajudaram os pesquisadores a fazer essa confirmação, mostrando que as imagens com lente eram de uma galáxia localizada a mais de 11 bilhões de anos-luz de distância.
A galáxia remota, baseada em uma reconstrução da terceira imagem em lente, parece ser uma espiral barrada de ponta com formação estelar contínua.
Quase ao mesmo tempo que as observações espectroscópicas de Griffiths e alunos de graduação em Hilo, um grupo separado de pesquisadores em Chicago identificou o aglomerado e mediu sua distância usando dados de Sloan. O cluster reside a mais de 7 bilhões de anos-luz de distância.
Mas, com muito poucas informações sobre o cluster, a equipe de Griffiths ainda estava lutando para interpretar essas formas de lentes incomuns. “Esta lente gravitacional é muito diferente da maioria das lentes que foram estudadas antes pelo Hubble, particularmente na pesquisa de aglomerados do Hubble Frontier Fields”, explicou Griffiths. “Você não precisa ficar olhando para esses aglomerados por muito tempo para encontrar muitas lentes. Neste objeto, esta é a única lente que temos. E nem sabíamos sobre o aglomerado no início.”
Mapeando o Invisível
Foi quando Griffiths chamou uma especialista em teoria das lentes gravitacionais, Jenny Wagner, da Universidade de Heidelberg, na Alemanha. Wagner havia estudado objetos semelhantes e, com o colega Nicolas Tessore, agora na Universidade de Manchester, na Inglaterra, desenvolveu um software de computador para interpretar lentes únicas como esta. O software deles ajudou a equipe a descobrir como as três imagens em lente surgiram. Eles concluíram que a matéria escura ao redor das imagens alongadas tinha que ser distribuída “suavemente” no espaço em pequenas escalas.
“É ótimo que só precisemos de duas imagens no espelho para obter a escala de quão grudada ou não a matéria escura pode ser nessas posições”, disse Wagner. “Aqui, não usamos nenhum modelo de lente. Apenas pegamos os observáveis de várias imagens e o fato de que podem ser transformadas umas nas outras. Elas podem ser dobradas umas nas outras pelo nosso método. Isso já nos dá uma ideia de quão lisa a matéria escura precisa ser nessas duas posições. ”
Esse resultado é importante, disse Griffiths, porque os astrônomos ainda não sabem o que é a matéria escura, quase um século após sua descoberta. “Sabemos que é alguma forma de matéria, mas não temos ideia do que seja a partícula constituinte. Portanto, não sabemos como ela se comporta. Apenas sabemos que ela tem massa e está sujeita à gravidade. O significado dos limites O tamanho da aglomeração ou suavidade é que nos dá algumas pistas sobre o que a partícula pode ser. Quanto menores os aglomerados de matéria escura, mais massivas devem ser as partículas. “
Publicado em 08/10/2021 14h12
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