Anotações científicas - 43

Fósseis cósmicos: Tucana II e os segredos das primeiras galáxias

A Via Láctea é cercada por dezenas de galáxias anãs consideradas relíquias das primeiras fases do Universo. Entre esses fósseis cósmicos destaca-se a Tucana II, uma galáxia anã ultra-tênue localizada a cerca de 163 mil anos-luz da Terra. Uma equipe de astrofísicos do MIT detectou estrelas na borda extrema dessa galáxia, muito mais distantes do centro do que se supunha ser possível, mas ainda presas à sua atração gravitacional.

A descoberta revela que Tucana II possui um halo de matéria escura estendido — entre três e cinco vezes mais massivo do que os cientistas estimavam. Isso sugere que as primeiríssimas galáxias do Universo não eram tão pequenas ou fracas quanto se pensava, mas sim estruturas consideravelmente maiores e mais massivas.

Análises feitas com os telescópios SkyMapper (Austrália) e Magellan (Chile) revelaram outro detalhe inédito: as estrelas da periferia são três vezes mais pobres em metais — e, portanto, mais primitivas — do que as do centro da galáxia. Essa assimetria química aponta para o registro do que pode ser o exemplo mais antigo de "canibalismo galáctico": a fusão primordial em que Tucana II engoliu uma vizinha ainda menor e mais antiga, espalhando suas estrelas pelas bordas.

A divulgação original

Astronomers detect extended dark matter halo around ancient dwarf galaxy

Findings suggest the first galaxies in the universe were more massive than previously thought. - Jennifer Chu - MIT News Office, February 1, 2021.

https://news.mit.edu/2021/astronomers-detect-extended-dark-matter-halo-ancient-dwarf-galaxy-0201  

Tradução do Texto Original

A Via Láctea é cercada por dezenas de galáxias anãs que são consideradas relíquias das primeiras galáxias do universo. Entre os mais primitivos desses fósseis galácticos está Tucana II — uma galáxia anã ultra-tênue que está a cerca de 50 quiloparsecs, ou 163.000 anos-luz, da Terra. Agora, astrofísicos do MIT detectaram estrelas na borda de Tucana II, em uma configuração surpreendentemente distante de seu centro, mas ainda assim capturadas pela atração gravitacional da pequena galáxia. Esta é a primeira evidência de que Tucana II abriga um halo estendido de matéria escura — uma região de matéria ligada gravitacionalmente que os pesquisadores calcularam ser de três a cinco vezes mais massiva do que os cientistas haviam estimado anteriormente. Essa descoberta de estrelas distantes em uma galáxia anã antiga implica que as primeiras galáxias do universo também eram provavelmente estendidas e mais massivas do que se pensava.

“Tucana II tem muito mais massa do que pensávamos para conseguir prender essas estrelas que estão tão distantes”, diz Anirudh Chiti, estudante de pós-graduação do MIT. “Isso significa que outras primeiras galáxias relíquias provavelmente também possuem esse tipo de halo estendido.” Os pesquisadores também determinaram que as estrelas nas periferias de Tucana II são mais primitivas do que as estrelas no núcleo da galáxia. Esta é a primeira evidência de tal desequilíbrio estelar em uma galáxia anã ultra-tênue. A configuração única sugere que a antiga galáxia pode ter sido o produto de uma das primeiras fusões do universo, entre duas galáxias bebês — uma ligeiramente menos primitiva que a outra.

“Podemos estar vendo a primeira assinatura de canibalismo galáctico”, diz Anna Frebel, Professora Associada de Física do Desenvolvimento de Carreira da Família Silverman no MIT. “Uma galáxia pode ter engolido uma de suas vizinhas ligeiramente menor e mais primitiva, que então espalhou todas as suas estrelas para as periferias.” Frebel, Chiti e seus colegas publicaram seus resultados hoje na Nature Astronomy.

Galáxias nada fracas Tucana II é uma das galáxias anãs mais primitivas conhecidas, com base no conteúdo de metal de suas estrelas. Estrelas com baixo teor de metal provavelmente se formaram muito cedo, quando o universo ainda não estava produzindo elementos pesados. No caso de Tucana II, os astrônomos haviam identificado anteriormente um punhado de estrelas ao redor do núcleo da galáxia com um teor de metal tão baixo que a galáxia foi considerada a mais quimicamente primitiva das galáxias anãs ultra-tênues conhecidas.

Chiti e Frebel se perguntaram se a antiga galáxia poderia abrigar outras estrelas ainda mais antigas, que pudessem lançar luz sobre a formação das primeiras galáxias do universo. Para testar essa ideia, eles obtiveram observações de Tucana II por meio do Telescópio SkyMapper, um telescópio óptico terrestre na Austrália que capta amplas vistas do céu do sul. A equipe usou um filtro de imagem no telescópio para identificar estrelas primitivas e pobres em metais além do núcleo da galáxia. A equipe executou um algoritmo, desenvolvido por Chiti, nos dados filtrados para selecionar com eficiência estrelas com baixo teor de metal, incluindo as estrelas identificadas anteriormente no centro e nove novas estrelas muito mais afastadas do núcleo galáctico.

“A análise de Ani mostra uma conexão cinemática, de que essas estrelas distantes se movem em sintonia com as estrelas internas, como a água da banheira descendo pelo ralo”, acrescenta Frebel. Os resultados sugerem que Tucana II deve ter um halo estendido de matéria escura que é de três a cinco vezes mais massivo do que se pensava anteriormente, a fim de manter um domínio gravitacional sobre essas estrelas distantes. A matéria escura é um tipo hipotético de matéria que se acredita compor mais de 85% do universo. Acredita-se que cada galáxia seja mantida unida por uma concentração local, ou halo, de matéria escura.

“Sem matéria escura, as galáxias simplesmente se despedaçariam”, diz Chiti. “[A matéria escura] é um ingrediente crucial para fazer uma galáxia e mantê-la unida.” Os resultados da equipe são a primeira evidência de que uma galáxia anã ultra-tênue pode abrigar um halo estendido de matéria escura. “Isso provavelmente também significa que as primeiras galáxias se formaram em halos de matéria escura muito maiores do que se pensava anteriormente”, diz Frebel. “Pensávamos que as primeiras galáxias eram as menores e mais fracas. Mas elas na verdade podem ter sido várias vezes maiores do que pensávamos, e não tão pequenas afinal.”

“Uma história canibalística” Chiti e Frebel deram seguimento aos seus resultados iniciais com observações de Tucana II tiradas pelos Telescópios Magellan no Chile. Com o Magellan, a equipe se concentrou nas estrelas pobres em metais da galáxia para derivar suas metalicidades relativas, e descobriu que as estrelas externas eram três vezes mais pobres em metais e, portanto, mais primitivas do que aquelas no centro. “Esta é a primeira vez que vemos algo que se parece com uma diferença química entre as estrelas internas e externas em uma galáxia antiga”, diz Chiti.

Uma explicação provável para o desequilíbrio pode ser uma fusão galáctica precoce, na qual uma pequena galáxia — possivelmente entre a primeira geração de galáxias a se formar no universo — engoliu outra galáxia próxima. Esse canibalismo galáctico ocorre constantemente em todo o universo hoje, mas não estava claro se as primeiras galáxias se fundiam de maneira semelhante. “Tucana II eventualmente será engolida pela Via Láctea, sem misericórdia”, diz Frebel. “E acontece que essa galáxia antiga pode ter sua própria história canibalística.” A equipe planeja usar sua abordagem para observar outras galáxias anãs ultra-tênues ao redor da Via Láctea, na esperança de descobrir estrelas ainda mais antigas e distantes. “Provavelmente existem muitos outros sistemas, talvez todos eles, que têm essas estrelas piscando em suas periferias”, diz Frebel. Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela NASA e pela National Science Foundation.