ESO: Finalmente encontraram as galáxias escuras no Universo primordial

Esta imagem mostra os detalhes de 12 imagens de galáxias escuras. Estes objetos são essencialmente desprovidos de estrelas e por isso são normalmente invisíveis aos telescópios. No entanto, o seu gás está sendo iluminado pela intensa radiação que vem de um quasar próximo, tornando-os assim visíveis ao VLT. Créditos: ESO, Digitized Sky Survey 2 and S. Cantalupo (UCSC)

Finalmente os astrônomos localizaram evidências da existência das galáxias escuras, uma fase inicial da formação de galáxias prevista teoricamente mas que até agora nunca tinha sido observada. Estes objetos cósmicos são na sua essência aglomerações ricas em gás porém sem estrelas. Utilizando o VLT (Very Large Telescope) do ESO, uma equipe multinacional de cientistas detectou estes objetos evasivos observando-os brilhando ao serem iluminados por um quasar próximo.

Esta imagem profunda mostra a região do céu em torno do quasar HE 0109-3518. O quasar está marcado com um círculo vermelho próximo do centro da imagem. A radiação energética do quasar faz com que as galáxias escuras brilhem, ajudando assim os astrônomos a compreender as fases iniciais da formação de galáxias. As imagens tênues do brilho de 12 galáxias escuras estão marcadas com círculos azuis. As galáxias escuras são essencialmente desprovidas de estrelas e por isso não emitem radiação que possa ser detectada pelos telescópios. Este aspecto torna-as virtualmente impossíveis de observar, a menos que sejam iluminadas por uma fonte exterior de luz como, por exemplo, um quasar. Esta imagem combina observações obtidas com o Very Large Telescope, preparado para detectar as emissões fluorescentes produzidas pelo fato do quasar iluminar as galáxias escuras, com dados de cor do Digitized Sky Survey 2. Créditos: ESO, Digitized Sky Survey 2 and S. Cantalupo (UCSC)

As galáxias escuras são galáxias pequenas porém ricas em gás do Universo primordial, ineficientes em formar estrelas. São previstas nas teorias de formação galáctica e os astrônomos sugerem que são os blocos constituintes das atuais galáxias brilhantes ricas em estrelas. Os astrônomos pensam que estes objetos devem ter alimentado as galáxias maiores com o gás que posteriormente deu origem às estrelas que existem atualmente.

Galáxias sem estrelas…

Uma vez que são essencialmente desprovidas de estrelas, estas galáxias escuras emitem radiação de forma bem tênue, o que as torna extremamente difíceis de se observar. Durante anos, os astrônomos tentaram desenvolver novas técnicas para confirmar a existência destas galáxias. Pequenos decréscimos em absorção nos espectros de fontes luminosas de fundo apontavam para a sua existência. No entanto, este novo estudo relata a primeira vez que estes objetos foram vistos diretamente.

Simon Lilly (ETH Zurich, Suíça), co-autor do artigo científico que descreveu o resultado, explicou:

A nossa abordagem do problema de detectar uma galáxia escura foi simplesmente iluminá-la com uma luz brilhante. Procuramos o brilho fluorescente do gás em galáxias escuras quando estas são iluminadas pela radiação ultravioleta de um quasar próximo muito luminoso. A radiação do quasar ilumina as galáxias escuras em um processo semelhante ao das lâmpadas ultravioletas que iluminam as roupas brancas numa discoteca. [1]

A equipe tirou partido da grande área coletora e a forte sensibilidade do Very Large Telescope (VLT) e de uma série de exposições muito longas, para detectar o brilho fluorescente extremamente tênue das galáxias escuras. A equipe utilizou o instrumento FORS2 para mapear a região do céu em torno do luminoso quasar [2] HE 0109-3518, à procura da radiação ultravioleta que é emitida pelo hidrogênio gasoso quando sujeito a radiação intensa. Devido à expansão do Universo, esta radiação é, na realidade, observada com uma tonalidade de violeta quando chega ao VLT. [3]

Sebastiano Cantalupo (Universidade da Califórnia, Santa Cruz), autor principal do estudo, esclareceu:

Depois de vários anos de tentativas para detectar a emissão fluorescente das galáxias escuras, os nossos resultados demonstram o potencial deste método para descobrir e estudar estes fascinantes objetos previamente invisíveis.

A equipe detectou quase 100 objetos gasosos que se situam num raio de alguns milhões de anos-luz do quasar. Depois de uma análise detalhada com o intuito de excluir objetos nos quais a emissão possa ser oriunda de formação estelar interna nas galáxias, em vez da radiação do quasar, o número de objetos diminuiu para 12. São as identificações mais convincentes até hoje de galáxias escuras no Universo primordial.

1 bilhão de vezes a massa do Sol

Os astrônomos conseguiram determinar também algumas das propriedades das galáxias escuras. Estimam que a massa do gás nestes objetos seja de cerca de um bilhão de vezes a do Sol, típica de galáxias de pequena massa ricas em gás, existentes no Universo primordial. A equipe conseguiu também estimar que a eficiência da formação estelar é suprimida de um fator maior que 100 relativamente a galáxias típicas com formação estelar encontradas em fases semelhantes na história cósmica. [4]

Sebastiano Cantalupo concluiu:

As nossas observações com o VLT mostram evidências da existência de nuvens escuras compactas e isoladas. Com este estudo demos um importante passo em frente no sentido de revelar e compreender as fases iniciais da formação de galáxias e de como as galáxias obtém seu gás.

O espectrógrafo de campo integral MUSE, que chegará ao VLT em 2013, será uma ferramenta extremamente poderosa no estudo destes objetos.

Este trabalho foi descrito no artigo científico “Detection of dark galaxies and circum-galactic filaments fluorescently illuminated by a quasar at z=2.4” por Cantalupo et al. publicado na revista especializada Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

A equipe de pesquisa contou com Sebastiano Cantalupo (University of California, Santa Cruz, EUA), Simon J. Lilly (ETH Zurich, Suíça) e Martin G. Haehnelt (Kavli Institute for Cosmology, Cambridge, Reino Unido).

Notas

[1] A fluorescência é a emissão de radiação por uma substância iluminada por uma fonte luminosa. Na maioria dos casos, a radiação emitida tem um comprimento de onda maior que a da fonte luminosa. Por exemplo, as lâmpadas fluorescentes transformam radiação ultravioleta, invisível para nós, em radiação visível. A fluorescência ocorre naturalmente em alguns compostos, como rochas ou minerais, mas pode ser também adicionada intencionalmente, como no caso de detergentes que contêm químicos fluorescentes, no intuito de fazer com que as roupas brancas pareçam mais brilhantes sob luz normal.

[2] Os quasares são galáxias distantes e muito brilhantes. Acredita-se que sua energia provém de buracos negros de elevada massa situados nos seus centros. O seu brilho torna-os faróis poderosos que podem ajudar a iluminar a região circundante, dando-nos pistas sobre a época em que as primeiras estrelas e galáxias se formavam a partir do gás primordial.

[3] Esta emissão de hidrogênio é conhecida por radiação de Lyman-alfa e é produzida quando os elétrons nos átomos de hidrogênio descem do segundo para o primeiro nível de energia. É um tipo de luz ultravioleta. Uma vez que o Universo se encontra em expansão, o comprimento de onda da radiação dos objetos aumenta à medida que atravessa o espaço. Quanto mais longe viajar a radiação, mais o comprimento de onda é aumentado. Como o vermelho é o maior comprimento de onda que os nossos olhos podem ver, este processo é literalmente um desvio em comprimento de onda em direção à ponta vermelha do espectro – daí o nome “desvio para o vermelho”. O quasar HE 0109-3518 situa-se a um desvio para o vermelho de z = 2,4 e a radiação ultravioleta das galáxias escuras é desviada para a região visível do espectro. Um filtro de banda estreita foi especialmente concebido para isolar o comprimento de onda específico para o qual a emissão fluorescente é desviada. O filtro está centrado a cerca de 414,5 nanômetros, de maneira a capturar a emissão de Lyman-alfa desviada para o vermelho de z = 2,4 (corresponde a uma tonalidade de violeta) e tem uma largura de banda de apenas 4 nanômetros.

[4] A eficiência de formação estelar é calculada como a massa de estrelas recentemente formadas sobre a massa de gás disponível para formar estrelas. A equipe descobriu que estes objetos precisariam de mais de 100 bilhões de anos para converter todo o gás em estrelas. Este resultado está de acordo com estudos teóricos recentes que sugeriram que halos de pequena massa ricos em gás a elevados desvios para o vermelho podem ter uma eficiência de formação estelar muito baixa, como consequência do baixo conteúdo em metais.