O cosmos é um palco de maravilhas, e entre elas, poucas são tão espetaculares quanto os efeitos das lentes gravitacionais. Imagine a luz de uma galáxia distante, viajando por incontáveis anos-luz até chegar aos nossos telescópios. Agora, imagine que, em seu caminho, essa luz passe perto de um objeto incrivelmente massivo, como uma galáxia ou um aglomerado de galáxias. A teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein nos ensinou que a massa não apenas tem peso, mas também distorce o próprio tecido do espaço-tempo. Essa distorção age como uma lente gigante, curvando a trajetória da luz da fonte de fundo, assim como uma lente de vidro curva a luz em um telescópio.
O resultado? Fenômenos visuais impressionantes: a galáxia distante pode parecer mais brilhante (amplificação), e sua imagem pode ser esticada em arcos ou até mesmo repetida, criando múltiplas cópias de si mesma. Essa amplificação natural é um presente dos céus, permitindo-nos estudar galáxias no universo primitivo em escalas espaciais minúsculas, menores que 100 parsecs, com os instrumentos atuais. É como ter um telescópio cósmico que nos permite ver o que de outra forma seria impossível.
Sistemas de lente forte não são apenas belos espetáculos visuais; são verdadeiros laboratórios astrofísicos. Eles nos permitem investigar as propriedades da matéria escura em galáxias, grupos e aglomerados. A matéria escura, como veremos, é uma substância misteriosa que não interage com a luz, mas cuja presença é inferida por seus efeitos gravitacionais. As lentes gravitacionais também são ferramentas poderosas para medir a constante de Hubble, um parâmetro fundamental para entender a expansão do universo, monitorando atrasos de tempo em fontes variáveis como quasares ou supernovas.
Dentro desse fascinante reino das lentes gravitacionais, existe uma configuração particularmente rara e simétrica conhecida como Cruz de Einstein. Este fenômeno ocorre quando uma fonte de fundo e uma lente massiva estão quase perfeitamente alinhadas, e a distribuição de massa da lente é elíptica. O resultado são quatro imagens distintas da fonte de fundo formando um padrão em forma de cruz, com um alto grau de simetria. A beleza e a raridade dessas cruzes as tornam alvos cobiçados para os astrônomos.
A história das lentes gravitacionais é longa e cheia de reviravoltas. As primeiras ideias sobre o desvio da luz pela gravidade foram publicadas por O. Chwolson em 1924, e mais tarde por Albert Einstein em 1936, que, curiosamente, notou que “não há grande chance de observar este fenômeno”. No entanto, o visionário F. Zwicky, em 1937, apontou que as nebulosas extragalácticas (ou seja, as galáxias) “oferecem uma chance muito melhor do que as estrelas para a observação de efeitos de lente gravitacional”. Quarenta anos depois, a primeira lente conhecida foi descoberta opticamente por D. Walsh e sua equipe em 1979, mostrando que o quasar QSO-0956+561 era “lentilhado” em duas imagens. O famoso quasar PG 1115+080 foi a segunda descoberta, um sistema de quatro imagens. Mas foi em 1985 que J. Huchra e colegas relataram um quasar em um padrão de cruz, o QSO-2237+0305, que ficou conhecido como a própria Cruz de Einstein. Desde então, muitas outras cruzes de Einstein foram identificadas, principalmente através de imagens ópticas ou de infravermelho próximo.
No entanto, as cruzes de Einstein produzidas por lentes fortes de galáxia-galáxia são igualmente raras, com apenas uma dúzia de casos confirmados entre centenas de galáxias lentiladas conhecidas. Algumas foram descobertas acidentalmente usando o Telescópio Espacial Hubble (HST). Apesar do sucesso em comprimentos de onda ópticos, nenhuma Cruz de Einstein havia sido detectada em comprimentos de onda submilimétricos até agora. A maioria dos sistemas de lente gravitacional descobertos em submilímetros se manifesta como anéis de Einstein completos ou parciais, ou arcos estendidos, mas nunca como uma cruz de Einstein clássica. Isso torna a descoberta de HerS-3 ainda mais extraordinária.
HerS-3: Uma Nova Jóia Cósmica no Z-GAL Survey
O objeto de nossa notícia é HerS-3, uma galáxia formadora de estrelas empoeirada (DSFG) localizada a um redshift espectroscópico de zspec = 3.0607. Em termos leigos, isso significa que HerS-3 é uma galáxia incrivelmente distante, tão distante que a luz que vemos dela viajou por bilhões de anos, nos mostrando o universo como ele era quando tinha apenas cerca de 2 bilhões de anos de idade. É uma janela para o passado cósmico, um vislumbre de uma época em que o universo estava no pico de sua evolução cósmica e as galáxias estavam produzindo estrelas a um ritmo furioso.
HerS-3 foi originalmente identificada no levantamento z-GAL, um projeto que usa o IRAM Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) para obter redshifts precisos de DSFGs brilhantes selecionadas pelo Herschel. Este levantamento é fundamental para explorar as propriedades dessas galáxias de alto redshift. No entanto, HerS-3 se destacou imediatamente por sua morfologia de lente incomum. As observações iniciais com NOEMA, na banda de 1 mm, com uma resolução angular de 0.92” x 0.52”, revelaram algo sem precedentes: HerS-3 é uma Cruz de Einstein que inclui uma brilhante quinta imagem central. Sim, você leu certo: não quatro, mas cinco imagens da mesma galáxia! Este é o primeiro sistema de Cruz de Einstein com uma imagem central e a primeira Cruz de Einstein detectada em comprimentos de onda submilimétricos.
As cinco imagens de HerS-3 não são apenas uma curiosidade visual; são uma confirmação esmagadora de que estamos observando o efeito de uma lente gravitacional. Análises espectroscópicas detalhadas com NOEMA e o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) permitiram resolver as imagens individualmente. Cada uma das cinco imagens exibe uma série de linhas moleculares, como 12CO(9-8) e H2O(202-111) em emissão, e OH+(11-01) e OH+(12-01) em absorção, que possuem velocidades centrais e perfis de linha semelhantes. Isso confirma inequivocamente que elas têm redshifts idênticos (z = 3.0607), provando que se originam da mesma fonte física: a galáxia HerS-3.
A separação entre as imagens é notável. As imagens nordeste (NE) e sudoeste (SW), que são as mais brilhantes, estão separadas por impressionantes 7.5 segundos de arco. Isso é uma separação excepcionalmente ampla em comparação com outras Cruzes de Einstein ou quasares quádruplos, onde a distância entre as imagens é tipicamente de apenas alguns segundos de arco. As três imagens ao longo da direção sudeste-noroeste têm uma separação menor, estendendo-se por cerca de 4 segundos de arco. É também digno de nota que o alinhamento das imagens NE e SW com a imagem central é ligeiramente curvo. As observações de alta resolução angular do ALMA, na banda de 1 mm (com uma resolução de 0.12” x 0.10”), revelaram que cada imagem é estendida na direção leste-oeste, com mudanças na orientação e brilho de uma imagem para outra.
Para completar o cenário de observações multi-ondas, o sistema HerS-3 também foi observado com o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) na banda de 6 GHz, onde quatro das cinco imagens foram detectadas, com características comparáveis às vistas nas imagens do ALMA. Essa riqueza de dados em diferentes comprimentos de onda é crucial para desvendar as complexidades do sistema.
Os Arquitetos da Lente: O Grupo de Galáxias Lentes e a Necessidade de um Componente Invisível
Por trás de uma lente gravitacional, há sempre uma massa que curva o espaço-tempo. No caso de HerS-3, o Telescópio Espacial Hubble (HST), com sua câmera F110W (em 1.15 μm), revelou o campo ao redor da Cruz de Einstein. A imagem do HST mostra um grupo de pelo menos quatro galáxias visíveis no plano da lente (G1, G2, G3 e G4) com um redshift fotométrico zphot de aproximadamente 1.0.
As galáxias G1, G2 e G3 dominam a emissão no infravermelho próximo e estão alinhadas ao longo do eixo menor da Cruz de Einstein. G1 está a sudeste, e G2 e G3 estão a noroeste da imagem central, com G2 e G3 fortemente misturadas e suas emissões difusas se sobrepondo. G4, outra galáxia do grupo, está localizada a 13.5 segundos de arco a sudeste de G1.
Através de uma análise detalhada das suas distribuições de energia espectral (SEDs) e modelos de brilho superficial, os cientistas determinaram as propriedades dessas galáxias lentes. Elas são sistemas massivos e “apagados” (quenched systems), com massas estelares de cerca de 10^11 massas solares (M☉) e taxas de formação estelar (SFRs) baixas, variando de 0.02 a 1.5 M☉ por ano. Isso significa que a maior parte de sua formação estelar ativa já cessou, e elas são compostas principalmente por estrelas mais velhas. A investigação do campo em um raio de 60 segundos de arco (cerca de 500 kpc) de G1 revelou um total de 10 galáxias com redshifts fotométricos consistentes com o grupo (entre z=0.9 e z=1.1). No entanto, a maioria dessas galáxias adicionais tem massas estelares mais baixas ou estão muito distantes da distribuição de massa principal do grupo, sugerindo que elas não contribuiriam significativamente para o efeito de lente em HerS-3.
Com os dados das quatro galáxias visíveis (G1, G2, G3 e G4) em mãos, os pesquisadores tentaram construir um modelo de lente gravitacional. Este processo é como engenharia reversa: os cientistas usam as imagens observadas para inferir a distribuição de massa da lente. Primeiramente, trataram as cinco imagens da Cruz de Einstein como fontes pontuais, devido aos seus tamanhos compactos e boa separação. Depois, usaram um código de reconstrução de fonte pixel a pixel, o pixsrc, para reconstruir a estrutura estendida da fonte.
No entanto, aqui é onde a história se torna ainda mais intrigante. Os modelos de lente que incluíam **apenas as quatro galáxias visíveis (G1, G2, G3 e G4) foram incapazes de reproduzir as propriedades observadas de HerS-3. Em particular, para que o modelo pudesse sequer aproximar as posições das imagens, ele exigia que a galáxia G3 fosse muito mais alongada do que o observado, o que é fisicamente implausível. Mesmo assim, o modelo ainda não conseguia corresponder à orientação da estrutura estendida na imagem SW. Se os cientistas impunham restrições mais fortes às formas das galáxias para torná-las mais realistas, o modelo simplesmente não conseguia reproduzir as posições observadas das imagens, com desvios significativos de até 0.2 segundos de arco. Essas falhas indicavam claramente que faltava algo massivo no modelo da lente.
A ausência de outras galáxias visíveis próximas no mesmo redshift que pudessem explicar a massa ausente levou a uma conclusão inevitável: a presença de um quinto componente massivo invisível.
A Revelação da Matéria Escura: O Fantasma Gravitacional
Este quinto componente massivo, que não é detectado em nenhuma das imagens do HST, é o que os cientistas interpretaram como um massivo halo de matéria escura associado ao grupo de galáxias lentes. É como um fantasma cósmico, cuja presença só pode ser inferida por seus efeitos gravitacionais no espaço-tempo.
Para testar essa hipótese, os pesquisadores incorporaram este componente adicional de massa em seus modelos de lente. Eles usaram dois tipos de modelos para o halo de matéria escura: uma esfera isotérmica com núcleo (cored isothermal sphere) e um halo esférico Navarro-Frenk-White (NFW). Ambos os modelos pressupõem que o halo de matéria escura está no mesmo redshift das galáxias visíveis (zphot ~ 1.0).
Os resultados foram notáveis: com a adição do halo de matéria escura, o modelo de lente e a configuração observada de HerS-3 estavam em excelente concordância. O modelo foi capaz de corresponder aos picos de emissão, à distribuição de brilho, à forma e à orientação de cada uma das cinco imagens lentiladas. A localização do componente adicional foi restrita a uma área entre 3 a 7 segundos de arco (o que equivale a cerca de 25 a 60 kpc) a sudeste da galáxia mais brilhante, G1. Essa localização é heuristicamente indicada pela curvatura do arco definido pelas imagens NE, C e SW.
Embora ambos os modelos de halo (isotérmico com núcleo e NFW) tenham reproduzido os dados com igual sucesso, eles não puderam restringir com precisão a estrutura interna desse halo de matéria escura. As distribuições do mapa de densidade superficial são diferentes para cada perfil de halo, o que leva a valores ligeiramente distintos para a massa total do halo e a amplificação gravitacional. Os modelos previram massas de lente projetadas para as galáxias visíveis (G1, G2, G3, G4) em torno de 10^12 M☉, que são consistentes com suas massas estelares. Para o grande halo de matéria escura, a massa escura contida nos raios amostrados pelas imagens lentiladas varia de log(M_DM/M☉) = 12.2 a 13.0. Essa massa total do grupo (cerca de 3 x 10^12 M☉) é consistente com a massa mediana de grupos de galáxias conhecidos.
A relação entre a massa estelar e a massa do halo para o grupo de galáxias lensing HerS-3 (com log(M*/M☉) ~ 11.2 e log(M_DM/M☉) ~ 13) segue a relação esperada para galáxias z ~ 1. Isso sugere que a descoberta se encaixa bem em nosso entendimento atual da cosmologia.
A ausência de uma contraparte visível para este halo massivo no infravermelho próximo do HST aponta fortemente para a natureza de matéria escura desse componente. Essa configuração, com o halo de matéria escura posicionado entre as galáxias G1-G3 e G4, aproximadamente no centro de massa do grupo, e as galáxias visíveis distribuídas ao redor (de ~25 a 80 kpc), é sugestiva de um grupo de galáxias não relaxado, o que significa que ele pode não ter atingido um equilíbrio gravitacional completo. No entanto, observações adicionais serão necessárias para refinar ainda mais o modelo de lente e entender melhor o estado evolutivo desse grupo.
A amplificação gravitacional total de todas as imagens para o sistema HerS-3 foi calculada entre µ ~ 17 e 19, dependendo do modelo do halo de matéria escura. Essa amplificação é o que permite aos astrônomos estudar HerS-3 com tal detalhe, apesar de sua imensa distância.
HerS-3 em Detalhe: Uma Fábrica de Estrelas no Coração da Criação Cósmica
Com a reconstrução do plano da fonte, podemos ter uma visão mais clara da própria HerS-3, como ela realmente é, sem as distorções da lente. Em seu plano de origem, HerS-3 se revela como uma galáxia formadora de estrelas empoeirada vista quase de perfil (edge-on), com uma região central brilhante cercada por dois picos de emissão mais fracos. Seu tamanho, estimado a partir da emissão de poeira de 1 mm, é de aproximadamente 2.3 x 0.9 kpc² para o modelo com halo com núcleo e 2.9 x 1.2 kpc² para o modelo com perfil NFW, com um ângulo de posição (PA) de cerca de 120°. O ângulo de inclinação do disco, derivado da razão entre o eixo menor e maior, é de cerca de 66° para ambos os modelos, confirmando a visão de perfil.
A galáxia HerS-3 é um viveiro de atividade estelar intensa. Sua luminosidade infravermelha total intrínseca (L_IR), após a correção da amplificação, é de aproximadamente 4.2 x 10^12 L☉, e sua taxa de formação estelar (SFR) intrínseca é de cerca de 455 M☉ por ano. Para contextualizar, nossa própria Via Láctea forma estrelas a uma taxa de apenas algumas massas solares por ano, o que torna HerS-3 uma verdadeira “fábrica de estrelas” cósmica.
A excitação do gás molecular em HerS-3 é significativa, com condições físicas semelhantes às de outras galáxias formadoras de estrelas intensas como Cloverleaf e HFLS-3. O gás molecular possui uma densidade média de cerca de 3000 cm^-3 e uma alta temperatura cinética de aproximadamente 270 K. As linhas de CO de alto J, como 12CO(9-8), são fortes, indicando um ambiente de alta excitação.
Os cientistas descartam a possibilidade de que um quasar ativo (AGN) radio-loud esteja impulsionando essa excitação, pois os dados de rádio não mostram indícios de tal AGN. Em vez disso, é mais provável que a excitação do gás denso em HerS-3 seja dominada por fótons infravermelhos e colisões (choques), originados do massivo e intenso surto de formação estelar (starburst) e do gás em outflow detectado pelas linhas de absorção de OH+. Isso é consistente com a alta razão L_CO/L_IR de HerS-3, que é mais alta do que em galáxias onde a excitação é dominada por raios-X de AGN, e mais alinhada com galáxias onde os choques desempenham um papel crucial no aquecimento do gás.
As observações da linha de emissão 12CO(9-8), a mais forte detectada nos espectros de 1 mm, fornecem uma primeira visão da morfologia e cinemática do gás molecular em HerS-3. A rotação no disco da galáxia é indicada por um gradiente de gás do vermelho para o azul ao longo do eixo oeste-leste. Isso significa que um lado da galáxia está se afastando de nós, enquanto o outro está se aproximando, um sinal clássico de rotação.
Além da rotação, HerS-3 exibe uma intensa atividade de outflow (fluxo de saída). As linhas de absorção de OH+, detectadas em cada uma das cinco imagens, estão deslocadas para o azul em aproximadamente 350 km/s em relação à velocidade sistêmica do gás molecular principal. Esse desvio para o azul é uma prova irrefutável de que o gás está sendo expulso da galáxia com velocidades elevadas. HerS-3, portanto, parece ser um starburst nuclear com uma morfologia comparável à da galáxia próxima NGC 253, que também possui um vento impulsionado por starburst. Acredita-se que o eixo do outflow em HerS-3 seja perpendicular ao núcleo ativo, ou seja, ao longo do eixo nordeste-sudoeste.
O reservatório de gás molecular de HerS-3, com uma massa intrínseca estimada de 6.9 x 10^10 M☉, está sendo rapidamente consumido. A eficiência de formação estelar (SFE) de HerS-3 é de 6.5 x 10^-9 anos^-1, resultando em um tempo de esgotamento do gás (t_depl) de apenas 152 milhões de anos. Este tempo de esgotamento é significativamente mais curto do que o das galáxias da sequência principal e é típico de galáxias starburst luminosas no infravermelho de alto redshift. Isso nos diz que HerS-3 está em uma fase explosiva e de curta duração de sua vida cósmica. A razão entre a massa de gás molecular e a massa de poeira (δ_GDR) é de aproximadamente 168 a 246, consistente com outras galáxias starburst selecionadas pelo Herschel.
HerS-3: Um Laboratório Cósmico para o Futuro e Além
A descoberta de HerS-3, com sua configuração de lente excepcional, vai muito além de ser apenas um objeto interessante. Ela se apresenta como um laboratório astrofísico único.
Primeiramente, HerS-3 oferece uma oportunidade extraordinária para explorar em pequenas escalas espaciais (abaixo de 100 pc) um starburst nuclear visto quase de perfil no auge da evolução cósmica. Compreender galáxias como HerS-3 é fundamental para entender como as galáxias evoluíram e formaram suas estrelas em eras primordiais do universo.
Em segundo lugar, e talvez o mais emocionante, o sistema HerS-3 tem o potencial de se tornar uma sonda cosmológica poderosa para medir a constante de Hubble. A atividade de formação estelar intensa da galáxia pode levar a eventos de supernovas ou variações intrínsecas no brilho do starburst. Monitorar essas variações e medir os atrasos de tempo entre as cinco imagens observadas pode fornecer uma nova maneira de determinar a taxa de expansão do universo. Os modelos de lente preveem atrasos de tempo na faixa de alguns dias para as imagens NE e SW, e cerca de um ano para as imagens E, C e W. A imagem central (C) é prevista para aparecer primeiro, com um atraso de cerca de 275 dias em relação à imagem NE. Essas medições exigirão observações de longo prazo e monitoramento contínuo.
As possibilidades futuras para HerS-3 são vastas e empolgantes. Observações mais profundas e de maior resolução angular com instalações como ALMA no submilímetro e o James Webb Space Telescope (JWST) no infravermelho próximo e médio prometem revelar ainda mais segredos. Com o JWST, poderíamos obter imagens no infravermelho próximo até 3 ordens de magnitude melhores do que as do HST, o que permitiria investigar componentes mais fracos do grupo de galáxias lentes e potenciais efeitos de lente adicionais.
Esses dados de alta qualidade permitiriam refinamentos significativos no modelo de lente, incluindo testes de previsões observacionais relacionadas à inversão de paridade nas imagens E, C e W da Cruz de Einstein. Além disso, seria possível testar se o poderoso vento de HerS-3 realmente cruza duas cáusticas de lente, o que criaria um arco-like adicional entre as galáxias G2 e G3. A observação desse arco e a derivação de suas características seriam cruciais para refinar o modelo de lente e restringir as propriedades do halo de matéria escura, ajudando a distinguir entre os perfis de halo isotérmico com núcleo e NFW.
Em última análise, essas futuras observações nos permitirão melhorar a compreensão da distribuição de massa do grupo de galáxias que atua como lente de HerS-3, entender seu estado evolutivo, derivar com maior precisão as propriedades do halo de matéria escura (como seu perfil e massa associada), estabelecer limites rigorosos para qualquer emissão estelar associada e, eventualmente, até mesmo revelar evidências de subestruturas dentro do halo de matéria escura.
Conclusão: Uma Porta Aberta para o Conhecimento Cósmico
A descoberta de HerS-3 é um marco excepcional na astronomia. Pela primeira vez, detectamos uma Cruz de Einstein em comprimentos de onda submilimétricos, e mais notavelmente, com uma quinta imagem brilhante no centro – uma configuração de lente nunca antes vista. Este fenômeno cósmico espetacular é a obra de um grupo de quatro galáxias visíveis a zphot ~ 1.0, mas, o mais crucial, também de um massivo halo de matéria escura invisível, cuja presença foi inferida a partir do modelo de lente, o único capaz de reproduzir todas as propriedades das cinco imagens.
HerS-3, a galáxia distante a z = 3.0607, é uma fábrica de estrelas empoeirada vista de perfil, com um disco giratório inclinado e fortes outflows de gás, expelindo matéria a velocidades de pelo menos 350 km/s de sua região nuclear. Seu gás molecular está altamente excitado, provavelmente devido a choques e radiação infravermelha do intenso starburst, e possui um curto tempo de esgotamento de 152 milhões de anos, característico de galáxias starburst luminosas no infravermelho no universo primitivo.
Este sistema único não é apenas um objeto de estudo por si só, mas um convite para desvendar os maiores enigmas do universo. HerS-3 nos oferece um laboratório cósmico sem igual para investigar galáxias starburst no auge da evolução cósmica em escalas espaciais íntimas, e para estudar as características de um grupo de galáxias e as propriedades do seu halo de matéria escura em uma época distante da história do universo.
A jornada de descoberta apenas começou. Com futuras observações utilizando o poder de telescópios de próxima geração, como o ALMA e o JWST, estamos à beira de desvendar ainda mais segredos de HerS-3, aprofundando nossa compreensão da matéria escura, da evolução das galáxias e da própria constante de Hubble.
A astronomia é uma ciência que nos conecta ao universo de maneiras profundas e significativas. Descobertas como a de HerS-3 nos lembram da vastidão e da beleza do cosmos, e da capacidade humana de desvendar seus segredos mais ocultos. Essa é uma notícia que merece ser compartilhada, pois cada passo em direção ao desconhecido é um passo para a compreensão de nossa própria existência. Junte-se a nós nesta emocionante exploração do universo! Compartilhe esta notícia com amigos, familiares e todos aqueles que, como nós, se apaixonam pelos mistérios que o céu noturno guarda!
Comente!