A procura das ondas gravitacionais

Inside Science News Service

 

Link para o original: For Some, Einstein’s Space-Time Ripples Have Yet To Break Their Silence

O Telescópio Green Bank em West Virginia
Crédito do Imagem: Gabriel Popkin (licença padrão da Creative Commons)

Avaliando o que a detecção pelo LIGO significa para outros meios de busca de ondas gravitacionais.

25 de março de 2016
Por: Gabriel Popkin, Contribuidor do ISNS

(Inside Science) — Quando os chefes do Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, ou LIGO, anunciaram em fevereiro a primeira detecção direta jamais feita de uma onda gravitacional, os astrofísicos Scott Ransom do National Radio Astronomy Observatory e Andrea Lommen da Franklin and Marshall University em Lancaster, Pennsylvania, tiveram sentimentos mistos.

Por um lado, isso significava que as equipes que eles e outros lideravam, fazendo a busca pelas ondas gravitacionais com radiotelescópios e apontadas para o tipo de estrela conhecido como pulsar, não iam conseguir ser os primeiros. “Nós adorávamos a ideia de sermos os azarões do páreo”, admitiu Ransom.

Por outro lado, eles ficaram entusiasmados pelos seus colegas no LIGO — e pela astronomia de ondas gravitacionais. “Eu fiquei realmente entusiasmado por um dia inteiro, penso eu, até que bateu o ciúme”, diz Lommen. “Nós todos vinhamos trabalhando nesse campo que não detectou coisa alguma por 20, 30 anos — e agora temos uma detecção. As pessoas não podem mais rir de nossas caras”.

Acima de tudo, Ransom, Lommen e seus colegas tinham a esperança que, como uma maré enchente, o entusiasmo acerca da descoberta desse um novo impulso à pesquisa por ondas gravitacionais – inclusive suas próprias.

O campo precisava dessa validação. Os rádiotelescópios e os futuros observatórios de ondas gravitacionais no espaço tinham sofrido os maiores cortes no orçamento nos últimos anos e, o que parecia em 2014 ser uma descoberta das ondas gravitacionais do Big Bang, se revelou ser apenas poeira cósmica. Em contraste, o sucesso do LIGO que parece quase certo que permanecerá, promete ser apenas o começo da era da astronomia de ondas gravitacionais, na qual vários tipos de instrumentos vão começar a responder questões críticas acerca dessas ondas — e sobre os objetos que as produzem.

Porém o LIGO não pode fazer tudo sozinho. Segundo a teoria da relatividade geral de Einstein e as observações feitas pelos astrônomos no último século, o universo deveria estar cheio de ondas gravitacionais de várias potências e frequências. Entretanto o LIGO só pode detectar ondas de alta frequência, tais como a detectada em 14 de setembro de 2015, gerada pelos momentos finais da fusão de dois buracos negros.

É aí onde entram três outras maneiras de detectar ondas gravitacionais: rastreamento de pulsares, interferometria laser no espaço e estudo das radiações vinda do universo quando jovem. Tal como os telescópios atuais que podem enxergar em radiofrequência, infravermelho, ultravioleta e raios X, além da luz visível, continuam a revelar novas facetas de nosso universo, somente com todos os quatro métodos de detecção os astrônomos poderão ter acesso a todas as informações que as ondas gravitacionais podem fornecer. Tal como Gabriela Gonzalez, física da Louisiana State University em Baton Rouge e porta-voz do LIGO colocou na conferência de imprensa de 11 de fevereiro passado que anunciou a descoberta inicial: “Eu quero ver todas essas janelas se abrirem tão logo possível”.

 

O núcleo do aglomerado globular Tucanae, uma vasta nuvem de velhas estrelas  encontradas na constelação do Tucano, que contém 25 pulsares de milissegundo conhecidos. Crédito: ESO, http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

 

Ouvindo os pulsares

Albert Einstein predisse a existência das ondas gravitacionais em 1916, um ano após publicar sua teoria da relatividade geral. Poré, já que mesmo uma forte onda gravitacional teria efeitos muito diminutos sobre a Terra, fazendo com que os objetos se deslocassem por muito menos do que o diâmetro de um próton, Einstein desistiu de jamais detectar uma delas experimentalmente.

No início da década de 1980, no entanto, a caçada começou. A National Science Foundation financiou os primeiros estudos que, eventualmente, levariam ao LIGO e os pesquisadores já começavam a pensar em outras maneiras de detectar as pequenas ondulações da gravidade. Uma delas era estudar os sinais vindos de estrelas que giram rapidamente, os pulsares. Um pulsar é formado quando um estrela com pelo menos 1,4 massas solares explode como supernova e sua massa restante colapsa em uma esfera de nêutrons densa e com giro rápido. Essas estrelas de nêutrons se tornam magnetizadas e emitem radiação eletromagnética, frequentemente na frequência das ondas de rádio, tonando-as gigantescos faróis cósmicos. Se um pulsar estiver próximo o bastante e seus pulsos voltados para a Terra, os modernos telescópios podem detectá-los.

No final da década de 1970 e início da de 1980, a mudança no tempo de chegada dos sinais de um pulsar em órbita de outra estrela de nêutrons forneceu um indício indireto para a existência de ondas gravitacionais, o que levou ao Prêmio Nobel de Física em 1993. Então, em 1982, o astrofísico Donald Backer da University of California, Berkeley, propos que os cientistas poderiam usar certos “pulsares de milissegundo” (que giram neste tempo) para uma detecção mais direta, medindo as pequenas diferenças de tempo de chegada à Terra dos pulsos, já que as ondas gravitacionais passantes deslocariam levemente o planeta na direção de alguns pulsares e na oposta de outros.

O “sistema de temporização de pulsares” imaginado por Backer seria como uma teia de aranha galáctica, na qual a Terra repousaria no centro e ficaria conectada a cada pulsar por um fio. Quantos mais fios houvesse, mais facilmente os cientistas poderiam dizer quando a Terra tivesse se movido ligeiramente.

Em particular, Backer pensou que os pulsares poderiam ser usados para detectar as ondas gravitacionais que os cientistas acreditam que estejam sendo contiunamente emitidos por enormes buracos negros do tamanho de galáxias — objetos esses milhões ou até bilhões de vezes mais massivos que os buracos negros detectados pelo LIGO – que orbitam em torno um do outro no universo distante. Uma vez que esses pares levam anos para completar uma órbita, as ondas gravitacionais emitidas teriam uma frequência extremamente baixa e mostruosamente longa – comprimentos de onda da ordem de anos luz.

O efeito que Backer se propos a medir era muito maior do que aquele detectado pelo LIGO, porém ainda muito pequeno em termos do cotidiano — cerca de uma parte em 10 elevado à décima sexta potência —e os cientistas precisariam de anos de medições de pulsares antes de poderem ter certeza de ter uma verdadeira detecção. Precisaria também de encontrar e rastrear muitos pulsares de milissegundos do que aqueles conhecidos pelos astrônomos na época que Backer propos o experimento. “Pulsares de milissegundo, o LIGO e alguns experimentos quânticos são de longe as experiências físicas mais precisas que se pode fazer”, disse Ransom.

O radiotelescópio Parkes em Nova Gales do Sul, Austrália, que começou a operar em1961.  http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/

 

Construindo redes de detecção

Em 2004, o astrofísico Richard Manchester da Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) na Australia iniciou um esforço para descobrir e rastrear os tempos dos pulsares no Hemisfério Sul, usando o radiotelescópio Parkes de 64m de diâmetro. Nesse ponto, Ransom, Lommen e Fredrick Jenet, físico da University of Texas em Brownsville, iniciaram discussões que levaram ao que eles chamaram de North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves ou NANOGrav. “Nós vimos que havia uma competição internacional”, disse said Ransom. “E foi aí que a coisa ficou mesmo séria”.

A equipe NANOGrav agora usa o telescópio de 100m de Green Bank Telescope na West Virginia e o telescópio de 300m em Arecibo, Puerto Rico — atualmente os dois radiotelescópios mais poderosos — para rastrear pulsares de 54 milissegundos  e procurar por outros mais. Os enormes pratos são necessários para refletir o bastante dos sinais extremamente fracos de radiofrequência dos pulsares até um receptor que captura os sinais — pulsos tão regulares como os do mais preciso relógio na Terra.

Enquanto isso, a equipe australiana rastreou 24 pulsares e, no último verão, publcou na Science uma análise de mais de uma década de dados de seus quatro pulsares mais regulares. Eles não encontraram qualquer indício de ondas gravitacionais, muito embora vários modelos teóricos predissessem que pares de buracos negros supermassivos, emissores de ondas gravitacionais, se formariam tão frequentemente que a equipe de Parkes deveria ter detectado algum. Com base em sua análise, os pesquisadores sugeriram que a comunidade de medição de pulsares poderia ter que esperar alguns anos até que o Sistema de Quilômetro Quadrado (Square Kilometer Array), um sistema de radiotelescópio gigantesco planejado entre a Austrália e a África do Sul, entrasse em operação para ter a chance de uma detecção.

Porém a equipe NANOGrav redarguiu  que ainda há muito que os cientistas ainda não sabem sobre a frequência de formação de pares de buracos negros supermassivos e que a equipe de Parkes os havia descartado apenas com os modelos mais otimísticos. Em um artigo publicado no mês passado em Astrophysical Journal Letters, os membros da NANOGrav apresentam seu argumento de adicionar mais pulsares ao sistema para aumentar a sensibilidade, predizendo uma detecção dentro de uma década se mantido o curso.

As equipes NANOGrav, Parkes e outra equipe européia também concordaram em compartilhar seus dados, formando o International Pulsar Timing Array, ou IPTA, o que deve ajudar os cientistas a melhorar seus conhecimentos da taxa de fusões de buracos negros supermassivos ainda mais.

“Esta é a primeira vez que sistemas de temporização de pulsares foram capazes de fazer astrofísica de verdade”, disse Ransom. “Para nós, é entusiasmante”.

O grupo está preparando uma segunda apresentação de dados para o fim deste ano e isto deve por fim à competição que existia entre eles, disse George Hobbs, astrofísico do CSIRO e atual diretor da equipe Parkes. “De repente o IPTA se tornou a coisa mais importante e é isso que todos queríamos ver”.

Laçamento do foguete Vega VV06 que transporta o  LISA Pathfinder. Crédito: ESA

 

Preenchendo o espectro

Mais ou menos na mesma época em que os sonhos do LIGO e dos sistemas de temporização de pulsares estavam ganhando forma, os pesquisadores começaram a propor um experimento semelhante ao LIGO, mas com o detector no espaço. As vantagens sobre um detector com base no solo são muitas — os “braços” poderiam ter milhões de km de comprimento, em lugar de uns poucos, assim como o ruído de eventos terrestres frequentes, tais como quedas de árvores e ondas que quebram nas praias (ambos têm impacto sobre o LIGO) seriam eliminados – tornando um tal detector sensível a um número bem maior de ondas gravitacionais.

A ideia se materializou em um projeto conjunto NASA-ESA chamado Laser Interferometer Space Antenna, ou LISA e deveria ter sido lançado nesta década. Porém a NASA abandonou o projeto em 2012, por conta dos custos. A ESA refez o projeto como evolved LISA, ou eLISA, cujos braços terão 1 milhão de km. Embora a data projetada para o lançamento de eLISA seja em 2034, em dezembro passado a ESA lançou a missão  LISA Pathfinder, que testará a tecnologia necessária para eLISA.

A China também está pensando em lançar seu próprio detector ou de fazer uma parceria com a ESA. De qualquer forma o tempo de detecção poderá diminuir, dizem os cienteistas.

Um quarto método de busca para ondas gravitacionais recebeu uma atenção especial em 17 de março de 2014, quando os físicos de Harvard e várias outras instituições anunciaram o uso do telescópio BICEP2 no Polo Sul para detectar a impressão das ondas gravitacionais no fundo cósmico de micro-ondas, aquele brilhareco de luz vindos da formação dos primeiros átomos de hidrogênio depois do Big Bang, o qual é o limite do universo observável.

Muitas das principais teorias do nascimento do universo sugerem que o universo inflou rapidamente logo após o Big Bang, durante um período chamado de “inflação”. Este violento surto de crescimento, que ocorreu quando toda a massa/energia estava em um volume pequeno, deve ter liberado enormes ondas gravitacionais. Uns 380.000 anos depois, essas ondas, agora já esticadas por milhões ou bilhões de anos luz, teria interagido com o fundo cósmico de micro-ondas de uma forma particular e que poderia ser detectada.

Uma previsão fascinante como esta inspirou várias equipes de pesquisas a projetas telescópios de micro-ondas para buscar tal assinatura. O grupo do BICEP2, em conjunto com a equipe do satélite Planck da ESA, eventualmente declararam seus achado inconclusivos , depois que outros apontaram que a poeira na Via Láctea poderia produzir o mesmo sinal que eles estvam interpretando como uma polarização do fundo cósmicod e micro-ondas.

Ainda assim, novos telescópios estão se juntando à busca pelas ondas gravitacionais primevas. Um dos mais poderosos é o Cosmology Large Angular Scale Surveyor, ou CLASS, que está sendo construído no deserto de Atacama no Chile. O CLASS vai efetuar medições em vários comprimentos de onda necessários para distinguir a radiação de fundo dos sinais emitidos pela poeira e outras fontes próximas, e vai cobrir uma larga faixa dos céus para capturar as informações mais completas. A experimento precisa de um sofisticado sistema de detecção, levado até próximo do zero absoluto, no limite da atual tecnologia.

“Uma vez que nós decidimos fazer medições em larga escala, a questão era o que é necessário para fazê-lo e, mesmo que seja difícil, o que precisa ser feito”, disse Charles Bennett, cosmologista da Universidade Johns Hopkins University, que lidera o projeto CLASS. Bennett espera que o CLASS comece a funcionar ainda neste ano.

 

O Telescópio Green Bank  ao por do Sol. Foto de Harry Morton. Cortesia da NRAO/AUI e Harry Morton (NRAO), http://images.nrao.edu/image_use.shtml (cc 3.0)

Financiando o futuro

Além de olhar para os céus, os caçadores de ondas gravitacionais têm que manter um olho em Washington e as recentes mensagens vindas de lá estão confusas. A temporização de pulsares recebeu um grande incentivo em 2015, quando a NSF alocou um fundo US$ 14,5 milhões ao longo de cinco anos.

Ao mesmo tempo, a NSF está querendo se desfazer dos telescópios da NANOGrav. Um comitê de revisão recomendou que seja desativado o telescópio de Green Bank e talvez o de Arecibo, dando prioridade a outras instalações.

Por enquanto, a NSF financiará parcialmente os dois telescópios, enquanto outras fontes, tais como o bilionário projeto russo Yuri Milner’s Breakthrough Listen, procuram por sinais de rádio de civilizações extra-terrestres e ajudam a preencher o vácuo. Porém o futuro desses telescópios é incerto – não porque eles não produzam boa ciência, mas porque simplesmente não há dinheiro suficiente para financiar todos os projetos bons, como explica James Ulvestad, diretor da Divisão de Astronomia da NSF.

A perda de qualquer um desses telescópios vai retardar uma detecção de ondas gravitacionais por anos, ao menos até que a China ponha para funcionar seu prato de 500m no fim da década.

“Neste ponto da história … quando estamos apenas abrindo a era das ondas gravitacionais na física”, reclama Lommen, “é uma vergonha falar em fechar qualquer um dos dois telescópios que fazem uma tremenda falta”.

Ransom acredita que o sucesso do LIGO — e outros — pode revigorar o campo e ajudar a manter os telescópios funcionando. “Eu espero que não seja apenas otimismo”, diz ele. “Nós estamos fazendo astrofísica de verdade e chegando a limites que realmente são significativos e podem mudar o pensamento das pessoas”.

“As ondas gravitacionais estão se tornando relevantes para a astronomia”.


Gabriel Popkin (@gabrielpopkin) é um escritor de ciências independente de Washington, DC. Já publicou em Science News, ScienceNOW, Johns Hopkins Magazine  e outras publicações.

Corre um boato de que é possível localizar a fonte de uma fofoca

Inside Science News Service
Link para o original: Rumor Has It An Algorithim Could Scope Out Gossip

Crédito da imagem: coolio-claire via flickr | http://bit.ly/1WeI3JF. Partilhada por Creative Commons.

Para localizar a fonte de uma fofoca, as redes sociais precisam ser complexas.

11 de março de 2016
Autor: Marcus Woo, Contribuidor do ISNS

(Inside Science) – Lembra daquelas fofocas que corriam soltas no seu tempo de secundário? Pode ser que agora você possa descobrir quem as espalhava.

As pesquisas nos últimos anos têm explorado meios para identificar a origem de um rumor que se espalhou por uma rede, armada tão somente da informação sobre quem ouviu. Este tipo de estudos matemáticos têm outras utilidades além de descobrir as fontes de fofocas. Eles podem achar as fontes de memes nas redes sociais, tendências, virus de computador e epidemias.

Porém, segundo um estudo recentemente publicado, se você vai conseguir achar a fonte de um rumor, depende da complexidade da rede.

“A estrutura da rede define basicamente quando se pode ou não descobrir o autor”, declara Tauhid Zaman do the Massachusetts Institute of Technology (MIT) em Cambridge. “As pessoas ainda não se deram conta de que a complexidade da rede diz quando e se você pode ficar oculto”.

Se a rede for bem simples — uma onde todos se conheçam entre si, ou uma que for linear, onde Maria só conhece João que só conhece José que só conhece David, e por aí afora — é impossível descobrir a origem de um rumor. Se todos nessa rede ouviram o rumor, é impossível descobrir qual o caminho mais provável do rumor e chegar a sua origem; todos os caminhos são possíveis. Em uma rede mais complexa e realística, entretanto, há uma boa chance de descobrir a fonte.

“Se a rede não for suficientemente complexa, jamais encontraremos a fonte do rumor”, explica ele. “Mas se for só um pouco complexa, há uma chance de uma em três de encontrar”.

E se quisermos restringir a fonte do rumor para oito suspeitos, então, segundo a análise, a probabilidade de encontrar o culpado sobre para 99%.

O estudo, publicado em Operations Research, expande o trabalho de 2010 no qual  Zaman e Devavrat Shah, também do MIT, foram uns dos primeiros a explorar o problema de encontrar a fonte de um rumor e destrinchar a matemática relativa em detalhe.

Muito embora outras pesquisas tenham se debruçado sobre como a informação se espalha ao longo do tempo, o busilis aqui é que não se sabe quando alguém ouviu o rumor em primeiro lugar. “Só sabemos que eles ouviram e que são ligados entre si”, explica Zaman. “A questão é descobrir quem foi a pessoa que começou com o rumor”.

Para descobrir a resposta – eles demonstram – se pode contar de quantas maneiras o rumor pode ter se propagado para cada uma das pessoas. Aquele que poderia espalhar o rumor pela maior quantidade de maneiras, é provavelmente aquele que começou com ele e os pesquisadores podem calcular a probabilidade.

O estudo de 2010 se focou em uma rede em árvore, cuja estrutura tem ramos, mas nenhum laço; onde ninguém tem um círculo de amizades. Por exemplo Alice conhece Bob, que conhece Carla, David e Emílio — mas nenhum desses últimos conhece Alice. Era um caso mais simples, específico, onde cada pessoa tinha a mesma probabilidade de passar o rumor para a pessoa seguinte.

Mas a análise é generalizante. Ela se estende para redes mais aleatórias, comprovando matematicamente que o método funciona para todas as redes em árvore. Uma vez que redes mais complexas e realísticas são mais difíceis de provar com matemática, segundo Zaman, os pesquisadores usaram simulações em computador para demonstrar que seus resultados se aplicam à maioria das outras redes.

Existe outra limitação. Se o rumor ainda não se espalhou muito e a rede contém algumas celebridades com um número enorme de amigos, o algorítimo apresenta a tendência de indicar essas pessoas populares. Porém, quando se leva em conta o número de amigos, os pesquisadores podem corrigir um pouco desta tendência, afirma Zaman. Embora não conseguissem comporvar matematicamente coisa alguma, suas simulações mostraram que o algorítimo ajustado trabalhava melhor com cenários realísticos

“Eu nem finjo que é um algorítimo revolucionário”, diz Zaman. “É uma ideia legal, mas de natureza teórica”.

Com efeito, outros pesquisadores vêm desenvolvendo algorítimos para descobrir fontes de rumores em cenários mais realísticos, contou Lei Ying  da Arizona State University em Tempe, o qual, juntamente com Kai Zhu, desenvolveu  um algorítimo que lida com uma rede mais realística, chamado de gráfico aleatório Erdos-Renyi.

“Claro que os resultados são ainda iniciais”, comentoui Ying acerca do trabalho de Shah e Zaman. “Dada sua rede, eles são capazes de quantificar a probabilidade de detecção — o que é uma contribuição muito significativa para a teoria”.

De fato, o estudo de 2010 ajudou a inspirar toda esta área de pesquisa referente a rumores, inclusive seu próprio trabalho, declarou Ying.

“Quando li o artigo pela primeira vez, imediatamente fiquei interessado pelo problema. Agora eu tenho vários estudantes debruçados sobre isto”, disse ele. Por exemplo, Ying está explorando casos ainda mais realísticos, como aqueles onde não se sabe o quanto o rumor se espalhou.

“São aplicações muito importantes”, diz ele. “Vivemos em um mundo cada vez mais conectado. A difusão de informações acontece todos os dias”.


Marcus Woo é um escritor de ciências freelance, residente na área da Baía de San Francisco, que já escreveu para Wired, BBC Earth, BBC Future, National Geographic News e outras publicações. Seu Tweeter é @sucramoow.

Decifrando as galáxias compactas do universo antigo

EurekAlert

Link para o original: Deciphering compact galaxies in the young universe

NATIONAL INSTITUTES OF NATURAL SCIENCES

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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.

Berçários de estrelas são ativados por matéria escura

EurekAlert

Link para o original: Dark matter satellites trigger massive birth of stars

Astrônomos usam simulação em computador com base em modelos teóricos para explicar os massivos berçários de estrelas observados em galáxias anãs

UNIVERSITY OF CALIFORNIA – RIVERSIDE

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Uma galáxia anã tipo starburst com um berçário de estrelas. Imagem cortesia da UC RIVERSIDE

RIVERSIDE, Califórnia — Uma das principais predições do modelo corrente de criação de estruturas no universo, conhecido como Lambda Cold Dark Mattermodel, é que as galáxias estão inseridas em halos muito extensos e massivos de matéria escura que são, por sua vez, cercados por vários milhares de sub-halos menores, também feitos de matéria escura.

Em  voltaa de grandes galáxias, tais como a via Láctea, esses sub-halos são grandes o suficiente para conter suficiente gás e poeira cósmica para formar pequenas galáxias próprias e algumas dessas companheiras galáticas, conhecidas como galáxias satélites, podem ser observadas. Essas galáxias satélites podem orbitar por bilhões de anos em torno da galáxia mãe, antes que aconteça uma fusão potencial. As fusões fazem com que a galáxia central adicione grandes quantidades de gás e estrelas, disparando violentos espisódios de formação de novas estrelas, conhecidos como starbursts, devidos ao excesso de gases trazidos pela companheira absorvida. O formato ou morfologia da galáxia mãe tamém pode ser perturbado pela interação gravitacional.

Halos menores formam galáxias anãs que, por sua vez, serão orbitados por sub-halos ainda menores de matéria escura, estes pequenos demais para encerrar gases ou estrelas. Esses satélites escuros são, portanto, invisíveis para nossos telescópios, mas aparecem prontamente nos modelos teóricos nas simulações em computadores. Para provar sua existência, é necessária a observação direta de sua interação com as galáxias mães.

Laura Sales, professora assistente da Universidade da California, Riverside, no Departamento de Física e Astronomia, colaborou com Tjitske Starkenburg e Amina Helmi, ambas do Instituto Astronômico Kapteyn na Holanda, para apresentar uma nova análise de simulações em computador, com base nos modelos teóricos, que estudam a interação de uma galáxia anã com uma satélite escura.

As descobertas são descritas em um artigo recém publicado: Dark influences II: gas and star formation in minor mergers of dwarf galaxies with dark satellites,” na publicação Astronomy & Astrophysics.

As pesquisadoras descobriram que, durante a aproximação máxima de uma satélite escura a uma galáxia anã, ela comprime o gás na anã por ação gravitacional, detonando episódios siginificativos de starbursts. Esses episódios de formação de estrelas pode durar por vários bilhões de anos, dependendo da massa, órbita e concentração da satélite escura.

Este cenário prediz que várias das galáxias anãs que podemos observar hoje em dia deveriam estar formando estrelas em uma taxa maior do que o esperado – ou deveriam estar experimentando um starburst – que é exatamente o que as observações de nossos telescópios encontram.

Além disto, da mesma forma que fusões entre galáxias mais massivas, a interação entre uma galáxia anã e a satélite escura produz perturbações morfológicas na anã, que podem modificar comletamente sua estrutura, de um formato comum de disco para um sistema elíptico/esférico. Este mecanismo também dá uma explicação para a origem de galáxias anãs esferoidais isoladas, um enigma que ficou sem solução por várias décadas.

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Corpos celestes se formam como rachaduras em tinta

EurekAlert

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

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