A galáxia dupla confunde os astrônomos do Hubble – ‘Ficamos confusos’

Esta foto do Telescópio Espacial Hubble mostra três imagens ampliadas de uma galáxia distante embutida em um grupo de galáxias. Essas imagens são produzidas por um truque da natureza chamado lentes gravitacionais. A gravidade massiva do aglomerado de galáxias amplifica e distorce a luz da galáxia distante atrás dele, criando várias imagens. O aglomerado de galáxias, classificado como SDSS J223010.47-081017.8, está localizado a 7 bilhões de anos-luz da Terra. Hubble observou muitas galáxias com lentes gravitacionais. No entanto, as imagens capturadas neste instantâneo do Hubble são únicas. Duas das imagens ampliadas, mostradas nas nuvens no canto inferior direito, são cópias exatas uma da outra. As duas ovais brilhantes são o coração da galáxia. Este fenômeno raro ocorre porque a galáxia de fundo é uma ondulação na estrutura do espaço. Essa “ondulação” é uma região de maior inflação, devido à atração de densas quantidades 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 de lado. Um close-up da terceira imagem é mostrado nas nuvens no canto superior direito. Esta imagem é muito semelhante à da galáxia distante, que está localizada a mais de 11 bilhões de anos-luz de distância. Com base na reconstrução desta imagem, os pesquisadores determinaram que a galáxia distante parece ser uma espiral em ziguezague com formação contínua de estrelas. As imagens no espelho têm o nome do “corpo de Hamilton” do astrônomo que as descobriu. Crédito: Joseph DePasquale (STScI)

Olhar para o universo é como olhar no espelho de uma casa de diversões. Isso ocorre 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, estendidas e brilhantes da galáxia de fundo.

Este fenômeno permite aos astrônomos estudar galáxias tão distantes que só podem ser vistas através do efeito de lentes gravitacionais. O desafio é tentar reconstruir galáxias distantes a partir das formas estranhas produzidas pelas lentes.

Mas os astrônomos usam telescópio espacial Hubble Eu tropecei em uma forma tão estranha enquanto analisava quasares, os núcleos fumegantes de galáxias ativas. Eles avistaram dois objetos lineares brilhantes que pareciam ser imagens espelhadas um do outro. Outro ser estranho estava por perto.

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Essas 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, um evento raro causado pelo alinhamento preciso da galáxia de fundo e seu grupo de lentes de primeiro plano.

O telescópio espacial Hubble acima da Terra

Animação 3D mostrando o Telescópio Espacial Hubble acima da Terra. Crédito: ESA / Hubble (M. Kornmesser & LL Christensen)

Astrônomos viram coisas muito estranhas espalhadas por nosso vasto universo, de estrelas explodindo a galáxias em colisão. Portanto, você pode pensar que quando eles virem um corpo celestial estranho, eles serão capazes de identificá-lo.

mas NASAO Telescópio Espacial Hubble descobriu o que parece ser um par de objetos de aparência semelhante, 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 OVNIs consistem em um par de protuberâncias galácticas (o eixo central cheio de estrelas de uma galáxia) e pelo menos três linhas paralelas separadas. Hamilton os descobriu por acaso enquanto usava o Hubble para pesquisar um grupo de quasares, os núcleos fumegantes de galáxias ativas.

Depois de perseguir teorias sem saída, pedir ajuda de colegas e fazer muitos arranhões, Hamilton e a equipe crescente liderada por Richard Griffiths da Universidade do Havaí em Hilo, finalmente reúnem todas as pistas para resolver o mistério.

Os objetos lineares eram imagens ampliadas de uma galáxia distante com lentes gravitacionais, localizada a mais de 11 bilhões de anos-luz de distância. Eles pareciam ser imagens idênticas um do outro.

A equipe descobriu que a imensa gravidade de um grupo de galáxias sobrepostas e não incorporadas no primeiro plano das galáxias distorce, amplifica, ilumina e estende o espaço de uma galáxia distante atrás dela, um fenômeno chamado lente gravitacional. Embora as pesquisas do Hubble revelem muitas dessas distorções de espelho e espelho causadas por lentes gravitacionais, este objeto tem sido exclusivamente mistificador.

Nesse caso, um alinhamento sutil entre uma galáxia no fundo e um aglomerado de galáxias no primeiro plano resulta em duas cópias ampliadas da mesma imagem da galáxia distante. Este fenômeno raro ocorre porque a galáxia de fundo é uma ondulação na estrutura do espaço. Essa “ondulação” é uma região de maior inflação, devido à atração de densas quantidades 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 de lado.

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Griffiths compara esse efeito aos padrões de ondas brilhantes vistos no fundo de uma piscina. “Pense na superfície ondulante de uma piscina em um dia ensolarado, mostrando padrões de luz brilhante no fundo da piscina”, explicou ele. Esses padrões brilhantes na parte inferior são causados ​​por um tipo semelhante de efeito de lente gravitacional. As ondulações na superfície atuam como lentes parciais e focam a luz do sol em padrões brilhantes em zigue-zague abaixo. ”

Em uma galáxia distante com lentes gravitacionais, a ondulação amplia e distorce a luz da galáxia de fundo que passa pelo aglomerado. A ondulação atua como um espelho imperfeitamente curvo que gera os duplexes.

resolva o quebra-cabeça

Mas esse fenômeno raro não era bem conhecido quando Hamilton descobriu as estranhas características lineares em 2013.

Enquanto ele espiava através das imagens do quasar, a tomada de imagens reflexivas e linhas paralelas apareceu. Hamilton nunca tinha visto nada parecido antes, nem qualquer um dos outros membros da equipe tinha.

“Meu primeiro pensamento foi que eles poderiam estar interagindo com galáxias com os braços estendidos de forma pontiaguda”, disse Hamilton. “Na verdade não combinava, mas eu também não sabia o que pensar.”

Assim, Hamilton e a equipe partiram em sua busca para resolver o mistério dessas linhas retas desconcertantes, que mais tarde foram apelidadas de “Objeto Hamilton” por 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 ao visto em Hubble. Outras imagens de aglomerados de galáxias massivas amplificam imagens de galáxias muito distantes. Griffiths confirmou essa ideia quando soube de um objeto linear semelhante em uma pesquisa do Hubble no aglomerado profundo.

No entanto, os pesquisadores ainda enfrentaram um problema. Eles não puderam determinar a massa da lente. Normalmente, os astrônomos que estudam aglomerados de galáxias primeiro veem o aglomerado em primeiro plano que causa a reflexão e, em seguida, encontram as imagens ampliadas de galáxias distantes dentro do aglomerado. A pesquisa de imagens do Sloan Digital Sky Survey revelou um aglomerado de galáxias na mesma região das imagens ampliadas, mas eles não apareceram em nenhuma pesquisa indexada. No entanto, o fato de as estranhas imagens estarem no centro de um aglomerado deixou claro para Griffiths que o aglomerado estava produzindo imagens lenticulares.

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O próximo passo dos pesquisadores foi determinar se as três imagens foram fotografadas na mesma distância e, portanto, eram todas imagens distorcidas da mesma galáxia distante. Medições espectroscópicas com os observatórios Gemini e WM Keck no Havaí ajudaram os pesquisadores a confirmar essa afirmação, mostrando que as imagens eram de uma galáxia localizada a mais de 11 bilhões de anos-luz de distância.

A galáxia distante, baseada na reconstrução da terceira imagem com uma lente, parece um vórtice em ziguezague com formação contínua de estrelas protuberantes.

Quase ao mesmo tempo que as observações espectroscópicas feitas por Griffith e alunos de graduação em Hilo, um grupo separado de pesquisadores em Chicago determinou a massa e mediu sua distância usando dados de Sloan. O cluster está localizado a mais de 7 bilhões de anos-luz de distância.

Mas com tão poucas informações sobre o cluster, a equipe de Griffiths ainda estava lutando para explicar essas formas incomuns de lentes. “Esta lente gravitacional é muito diferente da maioria das lentes que o Hubble estudou antes, 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.”

Mapeamento Invisível

Foi quando Griffith contatou uma especialista em teoria das lentes gravitacionais, Jenny Wagner, da Universidade de Heidelberg, na Alemanha. Wagner estudou objetos semelhantes e, junto com seu colega Nicholas Tessur, agora na Universidade de Manchester, na Inglaterra, desenvolveu um programa de computador para interpretar lentes únicas como essas. O software deles ajudou a equipe a descobrir como as três imagens apareciam com uma lente. Eles concluíram que a matéria escura ao redor das imagens estendidas deveria ser distribuída “suavemente” no espaço em pequenas escalas.

“É ótimo que só precisemos de duas imagens de espelho para ter uma medida de quão grumosa a matéria escura é ou não nessas posições”, disse Wagner. “Aqui, não estamos usando nenhum modelo de lente. Nós apenas pegamos o que pode ser observado nas múltiplas imagens e o fato de que elas podem ser transformadas umas nas outras. Elas podem ser dobradas juntas pelo nosso método. Isso realmente nos dá uma ideia de como a matéria escura é lisa nessas duas posições. “

Essa descoberta é importante, disse Griffiths, porque os astrônomos ainda não sabem o que é a matéria escura, quase um século depois de ter sido descoberta. Sabemos que é uma forma de matéria, mas não temos ideia do que a partícula é feita. Portanto, não sabemos como ele se comporta. Só sabemos que tem massa e está sujeito à gravidade. A importância dos limites de tamanho na aglomeração, ou suavidade, é que eles nos dão algumas pistas sobre o que é uma partícula. Quanto menor for a matéria escura, mais massivas devem ser as partículas. “

O papel da equipe aparece na edição de setembro da Avisos mensais da Royal Astronomical Society.

Referência: “Hamilton’s Body – A Clustered Galaxy Stretching Along the Caustic Gravity of a Galactic Crowd: Constraints on Dark Matter Clustering” por Richard E. Griffiths, Mitchell Rudisel, Jenny Wagner, Timothy Hamilton, Bo Chih Huang e Caroline Felforth, 17 de maio, 2021, Avisos mensais da Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / stab1375

O Telescópio Espacial Hubble é um projeto de colaboração internacional entre a NASA e a Agência Espacial Europeia (ESA). O telescópio é operado pelo Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. O Space Telescope Science Institute (STScI) em Baltimore, Maryland, conduz as operações científicas do Hubble. O STScI é operado para a NASA pelo Consórcio de Universidades para Pesquisa em Astronomia em Washington, DC

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