No vasto e misterioso universo, a fusão de galáxias desempenha um papel crucial na formação de algumas das estruturas mais impressionantes e enigmáticas que conhecemos. Recentemente, uma equipe de astrônomos, utilizando o poder combinado do Subaru Telescope e do ALMA, fez uma descoberta notável: um sistema de duas galáxias distantes, localizadas a 12,8 bilhões de anos-luz de distância, que estão em processo de fusão. Essas galáxias, que abrigam quasares fracos em seus centros, podem ser os ancestrais dos quasares mais brilhantes e massivos do universo primitivo, lançando luz sobre os processos misteriosos que desencadeiam o crescimento explosivo de buracos negros supermassivos.
Até hoje, observações astronômicas revelaram a existência de vários buracos negros supermassivos, com massas que excedem um bilhão de vezes a massa do Sol, no universo primitivo, quando este tinha menos de um bilhão de anos. Esses objetos, conhecidos como quasares de alta luminosidade, brilham mais do que uma galáxia inteira ao consumirem vastas quantidades de matéria interestelar. As galáxias que hospedam esses quasares frequentemente experimentam uma explosão de formação estelar, produzindo centenas a milhares de vezes a massa do nosso Sol em novas estrelas a cada ano. Mas o que desencadeia e sustenta esse rápido crescimento de buracos negros supermassivos e a atividade de formação estelar?
Uma hipótese principal é a fusão de galáxias ricas em gás. Os cientistas acreditam que, quando galáxias ricas em gás se fundem, parte do gás é comprimida para formar um grande número de estrelas, enquanto outra parte flui para o centro da galáxia, alimentando o crescimento do buraco negro central. Para entender melhor a formação de galáxias e buracos negros no universo primitivo, são necessárias investigações detalhadas dos prováveis ancestrais dos quasares de alta luminosidade: galáxias e buracos negros no estágio pré-fusão. No entanto, a pesquisa sobre esses ancestrais tem sido estagnada porque eles ainda não são quasares de alta luminosidade (antes da fusão), tornando-os extraordinariamente fracos e difíceis de detectar.
Para superar esse desafio, uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Associado Yoshiki Matsuoka, da Universidade de Ehime, analisou dados de um levantamento em grande escala realizado com a Hyper Suprime-Cam do Subaru Telescope, que possui um vasto campo de visão. Utilizando o grande poder de coleta de luz do Subaru Telescope, este levantamento é significativamente mais sensível do que outros levantamentos em grande escala, permitindo aos astrônomos detectar objetos mais fracos. Como resultado, a equipe descobriu um sistema com dois quasares muito fracos (cerca de 10 a 100 vezes mais fracos do que os quasares de alta luminosidade da mesma era) lado a lado.
Uma hipótese principal é a fusão de galáxias ricas em gás. Os cientistas acreditam que, quando galáxias ricas em gás se fundem, parte do gás é comprimida para formar um grande número de estrelas, enquanto outra parte flui para o centro da galáxia, alimentando o crescimento do buraco negro central. Para entender melhor a formação de galáxias e buracos negros no universo primitivo, são necessárias investigações detalhadas dos prováveis ancestrais dos quasares de alta luminosidade: galáxias e buracos negros no estágio pré-fusão. No entanto, a pesquisa sobre esses ancestrais tem sido estagnada porque eles ainda não são quasares de alta luminosidade (antes da fusão), tornando-os extraordinariamente fracos e difíceis de detectar.
Para superar esse desafio, uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Associado Yoshiki Matsuoka, da Universidade de Ehime, analisou dados de um levantamento em grande escala realizado com a Hyper Suprime-Cam do Subaru Telescope, que possui um vasto campo de visão. Utilizando o grande poder de coleta de luz do Subaru Telescope, este levantamento é significativamente mais sensível do que outros levantamentos em grande escala, permitindo aos astrônomos detectar objetos mais fracos. Como resultado, a equipe descobriu um sistema com dois quasares muito fracos (cerca de 10 a 100 vezes mais fracos do que os quasares de alta luminosidade da mesma era) lado a lado.
Essas galáxias, localizadas a aproximadamente 12,8 bilhões de anos-luz de distância, correspondem à era do “Alvorecer Cósmico”, quando o universo tinha apenas 900 milhões de anos. Este é o registro mais distante de “quasares pares” já encontrado. Devido à sua fraqueza, os cientistas inicialmente pensaram que esses objetos estavam no estágio pré-fusão, antes do rápido crescimento dos buracos negros supermassivos. No entanto, as observações realizadas com o Subaru Telescope só puderam fornecer informações sobre os buracos negros supermassivos centrais, deixando em aberto a questão de saber se as galáxias hospedeiras estavam destinadas a se fundir e eventualmente crescer em quasares de alta luminosidade.
Para resolver essa questão, uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Associado Takuma Izumi, do Observatório Astronômico Nacional do Japão, conduziu observações detalhadas das galáxias hospedeiras desses quasares pares usando o ALMA. Os resultados obtidos durante o Tempo Discricionário do Diretor foram surpreendentes. A distribuição da matéria interestelar observada, incluindo duas galáxias hospedeiras e a estrutura que as conecta, e a natureza de seu movimento indicaram que essas galáxias estavam interagindo. Elas estão, sem dúvida, no caminho para se fundirem em uma única galáxia em breve.
Além disso, cálculos baseados nos dados observacionais revelaram que a massa total de gás nessas galáxias (cerca de 100 bilhões de vezes a massa do Sol) é comparável ou até mais significativa do que as massas de gás das galáxias hospedeiras da maioria dos quasares de alta luminosidade, cujos núcleos são extraordinariamente brilhantes. Com essa enorme quantidade de material, a formação estelar explosiva pós-fusão e o abastecimento dos buracos negros supermassivos devem ser facilmente desencadeados e sustentados.
Localizadas a aproximadamente 12,8 bilhões de anos-luz de distância, correspondendo à era do “Alvorecer Cósmico”, quando o universo tinha apenas 900 milhões de anos, essas são as “quasar pares” mais distantes já registradas. Devido à sua fraqueza, os cientistas pensavam que esses objetos estavam no estágio pré-fusão, antes do rápido crescimento dos buracos negros supermassivos. No entanto, as observações com o Subaru Telescope só puderam fornecer informações sobre os buracos negros supermassivos centrais, deixando sem resposta se as galáxias hospedeiras estavam destinadas a se fundir e eventualmente crescer em quasares de alta luminosidade.
Como próximo passo, uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Associado Takuma Izumi, do Observatório Astronômico Nacional do Japão, conduziu observações das galáxias hospedeiras desses quasares pares usando o ALMA. Os resultados obtidos durante o Tempo Discricionário do Diretor foram surpreendentes. A distribuição da matéria interestelar observada (duas galáxias hospedeiras e a estrutura que as conecta) e a natureza de seu movimento indicaram que essas galáxias estavam interagindo. Elas estão, sem dúvida, no caminho para se fundirem em uma única galáxia em breve. Além disso, cálculos a partir dos dados observacionais revelaram que a massa total de gás nessas galáxias (cerca de 100 bilhões de vezes a massa do Sol) é comparável ou até mais significativa do que as massas de gás das galáxias hospedeiras da maioria dos quasares de alta luminosidade, cujos núcleos são extraordinariamente brilhantes.
Essa descoberta é crucial para a nossa compreensão da formação e evolução das galáxias e dos buracos negros supermassivos no universo primitivo. A teoria da fusão de galáxias ricas em gás sugere que, quando essas galáxias se fundem, o gás é comprimido, levando à formação de novas estrelas em taxas extremamente altas. Simultaneamente, parte desse gás é direcionada para o centro da galáxia, alimentando o crescimento do buraco negro central. A observação das galáxias em interação e a confirmação de sua fusão iminente fornecem evidências empíricas robustas para essa teoria.
Além disso, a quantidade massiva de gás presente nas galáxias observadas sugere que, após a fusão, haverá material suficiente para sustentar tanto a formação estelar explosiva quanto o crescimento dos buracos negros supermassivos. Isso é significativo porque ajuda a explicar como os quasares de alta luminosidade, que brilham mais do que galáxias inteiras, puderam se formar tão rapidamente no universo primitivo. A descoberta dessas galáxias em fusão, portanto, não só ilumina os processos que levam à formação dos quasares mais brilhantes e dos buracos negros supermassivos, mas também abre novas avenidas para a exploração do universo primitivo.
Com instrumentos avançados como o James Webb Space Telescope, a comunidade científica está mais bem equipada do que nunca para desvendar os mistérios do cosmos e compreender as forças que moldaram nosso universo. A observação contínua e detalhada dessas galáxias em fusão e de seus quasares centrais permitirá aos cientistas aprofundar seu entendimento sobre a evolução das estruturas cósmicas e os mecanismos que impulsionam a formação de estrelas e buracos negros em escalas de tempo cósmicas. Em última análise, essas descobertas não apenas expandem nosso conhecimento sobre o universo primitivo, mas também fornecem insights valiosos sobre os processos fundamentais que governam a dinâmica e a evolução das galáxias e dos buracos negros ao longo da história cósmica.
Com essa enorme quantidade de material, a formação estelar explosiva pós-fusão e o abastecimento dos buracos negros supermassivos devem ser facilmente desencadeados e sustentados. Portanto, esses achados representam uma conquista significativa na identificação dos ancestrais dos quasares de alta luminosidade—os objetos celestes mais brilhantes do universo primitivo—e das galáxias de explosão estelar a partir de múltiplas perspectivas, incluindo estrutura galáctica, movimento e quantidade de matéria interestelar.
Comentando sobre essa descoberta, o Professor Associado Takuma Izumi expressou sua empolgação: “Quando observamos pela primeira vez a interação entre essas duas galáxias, foi como assistir a uma dança, com os buracos negros em seus centros começando seu crescimento. Foi realmente bonito.” Ele também antecipou futuras pesquisas, dizendo: “Com o poder combinado do Subaru Telescope e do ALMA, começamos a desvendar a natureza dos motores centrais (buracos negros supermassivos), bem como o gás nas galáxias hospedeiras. No entanto, as propriedades das estrelas nas galáxias hospedeiras permanecem desconhecidas. Usando o Telescópio Espacial James Webb, que está atualmente operacional, poderíamos aprender sobre as propriedades estelares desses objetos. Como esses são os tão procurados ancestrais dos quasares de alta luminosidade, que devem servir como um precioso laboratório cósmico, espero aprofundar nossa compreensão de sua natureza e evolução através de várias observações no futuro.”
A descoberta dessas galáxias em fusão não só ilumina os processos que levam à formação dos quasares mais brilhantes e dos buracos negros supermassivos, mas também abre novas avenidas para a exploração do universo primitivo. Com instrumentos avançados como o James Webb Space Telescope, a comunidade científica está mais bem equipada do que nunca para desvendar os mistérios do cosmos e compreender as forças que moldaram nosso universo. O James Webb Space Telescope, com sua capacidade de observar em comprimentos de onda infravermelhos, permitirá aos astrônomos estudar as propriedades das estrelas nas galáxias hospedeiras, fornecendo uma visão mais completa das condições que prevalecem durante as fases iniciais da fusão galáctica.
Além disso, a colaboração internacional entre observatórios e cientistas de diferentes países exemplifica a importância da cooperação global na busca pelo conhecimento. O ALMA, uma parceria entre o Observatório Europeu do Sul (ESO), a Fundação Nacional de Ciências dos EUA (NSF) e os Institutos Nacionais de Ciências Naturais do Japão (NINS), em cooperação com a República do Chile, demonstra como a união de recursos e expertise pode levar a descobertas revolucionárias. A continuidade dessa colaboração será crucial para futuras investigações e para o avanço da astrofísica.
Em última análise, identificar e estudar os ancestrais dos quasares de alta luminosidade não só nos ajuda a entender a evolução das galáxias e dos buracos negros supermassivos, mas também nos oferece pistas sobre a história do próprio universo. Cada nova descoberta nos aproxima de responder às grandes questões sobre a origem e o destino do cosmos. A exploração contínua dessas galáxias em fusão e seus quasares centrais promete revelar ainda mais sobre os mecanismos que regem a formação e evolução das estruturas cósmicas, solidificando nosso entendimento do universo em que vivemos.
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