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XMM-Newton encontra material intergaláctico em falta


Impressão de artista do meio intergaláctico morno-quente, uma mistura de gás com temperaturas que variam entre centenas e milhares de graus (morno) a milhões de graus (quente) que permeia o Universo numa teia cósmica filamentar.
Após duas décadas de observações, astrónomos usando o observatório espacial XMM-Newton da ESA (ilustrado no canto inferior direito) detetaram o componente quente deste material intergaláctico, diminuindo a lacuna no orçamento geral da matéria "normal" no cosmos.
A descoberta foi feita usando observações de um quasar distante - uma galáxia massiva com um buraco negro supermassivo no seu centro que está a devorar ativamente matéria e a brilhar intensamente em raios-X e no rádio. Observaram este quasar, cuja luz leva mais de quatro mil milhões de anos até chegar até nós, durante um total de 18 dias, divididos entre 2015 e 2017, na mais longa observação de raios-X já realizada para uma fonte deste tipo.
Depois de estudarem os dados, encontraram a assinatura do oxigénio no gás intergaláctico quente entre o observatório e o distante quasar, em dois locais diferentes ao longo da linha de visão (visto no espectro no canto inferior esquerdo).
As duas concentrações de gás intergaláctico correspondem a um desvio para o vermelho de z=0,43 (indicado pelas setas verdes) e z=0,35 (indicado pela seta magenta); as características no espectro indicam indicadas pelas setas azuis representam assinaturas do azoto na nossa Via Láctea.
Crédito: ilustrações e composição - ESA/ATG medialab; dados: ESA/XMM-Newton/F. Nicastro et al. 2018; simulação cosmológica: R. Cen

Depois de um jogo cósmico das escondidas com quase vinte anos, astrônomos usando o observatório espacial XMM-Newton da ESA finalmente encontraram evidências de gás quente e difuso que permeia o cosmos, fechando uma lacuna intrigante no orçamento geral da matéria "normal" do Universo.

Embora a misteriosa matéria escura e a energia escura componham cerca de 25% e 70% do nosso cosmos, respetivamente, a matéria comum que constitui tudo o que vemos - de estrelas a galáxias, de planetas a pessoas - corresponde a apenas 5%.

Mas até estes cinco por cento são muito difíceis de rastrear.

A quantidade total de matéria comum, que os astrônomos chamam de bariões, pode ser estimada a partir de observações da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, que é a luz mais antiga do Universo e que remonta a apenas 380 mil anos após o Big Bang.

As observações de galáxias muito distantes permitem que os astrônomos acompanhem a evolução desta matéria ao longo dos primeiros dois mil milhões de anos do Universo. No entanto, depois disso, mais de metade parece desaparecer.

"Os bariões desaparecidos representam um dos maiores mistérios da astrofísica moderna," explica Fabrizio Nicastro, autor principal do artigo, que apresentou uma solução para o mistério, publicada esta semana na revista Nature.

"Nós sabemos que esta matéria deve existir no Universo, vêmo-la no início, mas não a conseguíamos observar mais para o presente. Para onde foi?"

A contagem da população de estrelas em galáxias espalhadas pelo Universo, mais o gás interestelar que permeia as galáxias - a matéria-prima para a formação de estrelas - só totaliza uns meros 10% de toda a matéria comum. Somando o gás quente e difuso nos halos que englobam as galáxias e o gás ainda mais quente que preenche os aglomerados galácticos, as maiores estruturas cósmicas unidas pela gravidade, eleva o inventário para menos de 20%.

Isto não é surpreendente: as estrelas, as galáxias e os enxames galácticos formam-se nos nós mais densos da teia cósmica, a distribuição filamentar da matéria escura e comum que se estende por todo o Universo. Embora esses locais sejam densos, também são raros, portanto não são os melhores locais para procurar a maioria da matéria cósmica.

Os astrônomos suspeitavam que os bariões "desaparecidos" deviam estar à espreita nos filamentos omnipresentes desta teia cósmica, onde a matéria é, no entanto, menos densa e, portanto, mais difícil de observar. Usando técnicas diferentes ao longo dos anos, conseguiram localizar uma boa parte deste material intergaláctico - principalmente nos seus componentes frios e quentes - elevando o orçamento total até uns respeitáveis 60%, mas deixando o mistério ainda sem solução.

Fabrizio e muitos outros astrônomos em todo mundo procuram há quase duas décadas os bariões em falta, desde que os observatórios de raios-X, como o XMM-Newton da ESA e o Chandra da NASA ficaram disponíveis à comunidade científica.

Observando nesta zona do espectro eletromagnético, podem detetar gás intergaláctico quente, com temperaturas que rondam um milhão de graus ou mais, que bloqueia os raios-X emitidos por fontes ainda mais distantes.

Para este projeto, Fabrizio e colaboradores usaram o XMM-Newton para observar um quasar - uma galáxia massiva com um buraco negro supermassivo no seu centro que está a devorar ativamente matéria e a brilhar intensamente em raios-X e no rádio. Observaram este quasar, cuja luz leva mais de quatro mil milhões de anos até chegar até nós, durante um total de 18 dias, divididos entre 2015 e 2017, na mais longa observação de raios-X já realizada para uma fonte deste tipo.

"Depois de vasculharmos os dados, conseguimos encontrar a assinatura do oxigênio no gás intergaláctico quente entre nós e o quasar distante, em dois locais diferentes ao longo da linha de visão," explica Fabrizio.

"Isto acontece porque existem aí enormes reservatórios de material - incluindo oxigênio - e exatamente na quantidade que esperávamos, de modo que podemos finalmente preencher a lacuna no orçamento dos bariões do Universo."

Este resultado extraordinário é o começo de uma nova missão. São necessárias observações de diferentes fontes, espalhadas pelo céu, para confirmar se estas descobertas são realmente universais e para investigar mais profundamente o estado físico desta matéria há muito procurada.

Fabrizio e colegas planeiam estudar mais quasares com o XMM-Newton e com o Chandra nos próximos anos. No entanto, para explorar completamente a distribuição e as propriedades deste chamado meio intergaláctico morno-quente, serão necessários instrumentos mais sensíveis, como o Athena (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics) da ESA, com lançamento previsto para 2028.

"A descoberta dos bariões desaparecidos com o XMM-Newton é o primeiro emocionante passo na caracterização completa das circunstâncias e estruturas em que estes bariões são encontrados," afirma o coautor Jelle Kaastra do Instituto Holandês para Investigação Espacial.

"Para os próximos passos, vamos precisar da muito maior sensibilidade do Athena, que tem como um dos principais objetivos o estudo do meio intergaláctico morno-quente, a fim de melhorar a nossa compreensão de como as estruturas crescem ao longo da história do Universo."

"Ficamos muito orgulhosos quando o XMM-Newton conseguiu descobrir o fraco sinal deste material há muito tempo elusivo, escondido numa névoa quente de um milhão de graus que se estende pelo espaço intergaláctico por centenas de milhares de anos-luz," comenta Norbert Schartel, cientista do projeto XMM-Newton na ESA.

"Agora que sabemos que estes bariões já não estão em falta, mal podemos esperar para os estudar em maior detalhe."


Embora a misteriosa matéria escura e a energia escura componham cerca de 25% e 70% do nosso cosmos, respetivamente, a matéria comum que constitui tudo o que vemos - de estrelas a galáxias, de planetas a pessoas - corresponde a apenas 5%.
No entanto, as estrelas nas galáxias espalhadas pelo Universo só representam apenas 7% de toda a matéria comum. O gás interestelar frio que permeia as galáxias - a matéria-prima que forma estrelas - corresponde a mais ou menos 1,8% do total, enquanto o gás quente e difuso nos halos que rodeiam as galáxias perfaz aproximadamente 5%, e o gás ainda mais quente que preenche os aglomerados galácticos - as maiores estruturas cósmicas unidas pela gravidade - são responsáveis por 4%.
Isto não é surpreendente: as estrelas, as galáxias e os enxames galácticos formam-se nos nós mais densos da teia cósmica, a distribuição filamentar da matéria escura e comum que se estende por todo o Universo. Embora esses locais sejam densos, também são raros, portanto não são os melhores locais para procurar a maioria da matéria cósmica.
A maior parte da matéria comum do Universo, ou bariões, devem estar à espreita nos filamentos omnipresentes desta teia cósmica, onde a matéria é, no entanto, menos densa e, portanto, mais difícil de observar. Usando técnicas diferentes ao longo dos anos, conseguiram localizar uma boa parte deste material intergaláctico - principalmente nos seus componentes frios (também conhecido como floresta Lyman-alpha, que constitui cerca de 28% de todos os bariões) e quentes (cerca de 15%).
Após duas décadas de observações, astrônomos usando o observatório espacial XMM-Newton da ESA finalmente detetaram o componente quente desse material intergaláctico ao longo da linha de visão de um distante quasar. A quantidade de gás intergaláctico quente detetado nestas observações corresponde a 40% de todos os bariões no Universo, diminuindo a diferença no orçamento geral da matéria comum no cosmos.
Crédito: ESA


Quatro aglomerados galácticos embebidos na teia cósmica, a rede fina de matéria escura e bariônica que supostamente permeia o Universo. Esta imagem foi extraída de uma simulação numérica da formação e evolução da estrutura cósmica.
São visíveis quatro enxames galácticos muito massivos onde a concentração de galáxias (em branco e roxo) é maior. Dois os enxames, no canto inferior esquerdo da imagem, estão nas fases iniciais de um processo de fusão; os outros dois enxames podem ser vistos na parte central da imagem, logo acima do centro. A estrutura filamentar formada pelos quatro aglomerados estende-se para o lado direito da imagem, onde vários sistemas menos massivos podem ser observados.
Os aglomerados de galáxias formam-se nos nós mais densos da teia cósmica, onde os filamentos se cruzam. A densidade do gás nos filamentos que ligam os aglomerados é representada com cores diferentes, o castanho escuro indicando regiões menos densas e as cores mais vivas (de laranja a amarelo e verde) indicando regiões cada vez menos densas.
A imagem mostra uma porção da teia cósmica que abrange cerca de 260 milhões de anos-luz em diâmetro.
Crédito: imagem cortesia de K. Dolag, Universitäts-Sternwarte München, Ludwig-Maximilians-Universität München, Alemanha

FONTE: ASTRONOMIA ONLINE

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