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Primeira ciência com as capacidades de frequências mais altas do ALMA


Ilustração que salienta as capacidades de observação nas mais altas frequências do ALMA.
Crédito: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Uma equipe de cientistas que usa as capacidades de maior frequência do ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) descobriu jatos de vapor de água quente saindo de uma estrela recém-formada. Os investigadores também detetaram as "impressões digitais" de uma surpreendente variedade de moléculas próximas desse berçário estelar.

O telescópio ALMA no Chile transformou a forma como vemos o Universo, mostrando-nos partes do cosmos que de outro seriam invisíveis. Este conjunto de antenas incrivelmente precisas estuda uma faixa de rádio comparativamente de alta frequência: ondas que variam de algumas décimas de milímetro até vários milímetros em amplitude. Recentemente, os cientistas empurraram o ALMA aos seus limites, aproveitando as capacidades de maior frequência (menor comprimento de onda), que espiam parte do espectro eletromagnético que cruza a linha entre o infravermelho e o rádio.

"As observações de rádio de alta frequência como estas normalmente não são possíveis no solo," comenta Brett McGuire, químico do NRAO (National Radio Astronomy Observatory) em Charlottesville, no estado norte-americano de Virginia, autor principal de um artigo publicado na revista The Astrophysical Journal Letters. "Elas exigem a extrema precisão e sensibilidade do ALMA, juntamente com algumas das condições atmosféricas mais secas e estáveis que podem ser encontradas na Terra."

Sob condições atmosféricas ideais, que ocorreram na noite de 5 de abril de 2018, os astrônomos treinaram a visão submilimétrica de frequência mais alta do ALMA numa região curiosa da Nebulosa Pata de Gato (também conhecida como NGC 6334I), uma região de formação estelar localizada a cerca de 4300 anos-luz da Terra na direção da constelação de Escorpião.

As observações anteriores do ALMA desta região, em frequências mais baixas, revelaram a formação turbulenta de estrelas, um ambiente altamente dinâmico e uma riqueza de moléculas no interior da nebulosa.

Para observar em frequências mais altas, as antenas do ALMA estão desenhadas para acomodar uma série de "bandas" - numeradas de 1 a 10 - e cada uma estuda uma parte específica do espectro. Os receptores de Banda 10 observam as frequências mais altas (comprimentos de onda mais curtos) de qualquer um dos instrumentos ALMA, abrangendo comprimentos de onda de 0,3 a 0,4 milímetros (787 a 950 gigahertz), também considerados radiação infravermelha de comprimento de onda longo.

As primeiras observações deste tipo para o ALMA, com a Banda 10, produziram resultados emocionantes.

Jatos de Vapor de Protoestrela

Um dos primeiros resultados da Banda 10 do ALMA foi também um dos mais desafiadores, a observação direta de jatos de vapor de água libertados por uma das maiores protoestrelas da região. O ALMA foi capaz de detetar a luz de comprimento de onda submilimétrico naturalmente emitida pela água pesada (moléculas de água formadas por átomos de oxigênio, hidrogênio e deutério, que são átomos de hidrogênio com um protão e um neutrão no seu núcleo).

"Normalmente, não poderíamos ver diretamente este sinal em particular a partir do solo," realça Crystal Brogan, astrônoma do NRAO e coautora do artigo. "A atmosfera da Terra, mesmo em lugares notavelmente áridos, ainda contém bastante vapor de água para suprimir completamente este sinal de qualquer fonte cósmica. No entanto, durante condições excecionalmente pristinas no alto Deserto de Atacama, o ALMA pode, de facto, detetar esse sinal. Isto é algo que nenhum outro telescópio na Terra consegue fazer."

À medida que as estrelas começam a se formar a partir de nuvens massivas de poeira e gás, o material em redor da estrela cai para a massa no centro. Uma porção deste material, no entanto, é expelido da protoestrela em crescimento como um par de jatos, que transportam gás e moléculas, incluindo água.

A água pesada que os cientistas observaram flui ou de uma única protoestrela ou de um pequeno enxame de protoestrelas. Estes jatos estão orientados de modo diferente do que parecem ser jatos muito maiores e potencialmente mais maduros emanados da mesma região. Os astrônomos especulam que os jatos de água pesada vistos pelo ALMA são características relativamente recentes que começam agora a mover-se para a nebulosa em redor.

Estas observações também mostram que nas regiões onde esta água bate no gás circundante, masers de água de baixa frequência - versões naturais de lasers de micro-ondas - entram em erupção. Os masers foram detetados em observações complementares pelo VLA (Very Large Array) do NSF (National Science Foundation).

ALMA Observa Moléculas em Abundância

Além de produzir imagens marcantes de objetos no espaço, o ALMA também é um sensor cosmo-químico extremamente sensível. À medida que as moléculas dão trambolhões e vibram no espaço, naturalmente emitem luz em comprimentos de onda específicos, que aparecem como picos e quedas num espectro. Todas as bandas receptoras do ALMA podem detetar essas impressões digitais únicas, mas as linhas das frequências mais altas fornecem uma visão única sobre substâncias químicas mais leves e importantes, como a água pesada. Também fornecem a capacidade de observar estes sinais de moléculas complexas e quentes, que possuem linhas espectrais mais fracas em frequências mais baixas.

Usando a Banda 10, os investigadores foram capazes de observar uma região do espectro que é extraordinariamente rica em impressões digitais moleculares, incluindo a do glicoaldeído, a molécula mais simples relacionada com o açúcar.

Quando comparadas com as anteriores melhores observações do mundo, da mesma fonte, captadas pelo Observatório Espacial Herschel da ESA, as observações do ALMA detetaram mais de 10 vezes mais linhas espectrais.

"Nós detectamos um tesouro de moléculas orgânicas complexas em torno desta enorme região de formação estelar," acrescenta McGuire. "Estes resultados foram recebidos com entusiasmo pela comunidade astronômica e mostram mais uma vez como o ALMA vai remodelar a nossa compreensão do Universo."

O ALMA é capaz de aproveitar estas raras janelas de oportunidade quando as condições atmosféricas são "perfeitas", usando agendamento dinâmico. Isto significa que os operadores do telescópio e os astrônomos monitorizam cuidadosamente a meteorologia e conduzem as observações planeadas que melhor se ajustam às condições predominantes.

"Há certamente algumas condições que precisam ser cumpridas para realizar uma observação bem-sucedida usando a Banda 10," conclui Brogan. "Mas estes novos resultados do ALMA demonstram o quão importante estas observações podem ser."

"Para permanecer na vanguarda da descoberta, os observatórios devem inovar continuamente para impulsionar o avanço do que a astronomia pode atingir," comenta Joe Pesce, diretor do programa do NRAO no NSF. "Este é um elemento central do NRAO do NSF, e do ALMA, e esta descoberta leva ao limite a astronomia feita a partir do solo."


Imagem de um dos cartuchos frios do recetor de Banda 10, que dá ao ALMA as suas capacidades de frequências mais altas.
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)


A porção azul superior deste gráfico mostra as linhas espectrais que o ALMA detetou numa região de formação estelar da Nebulosa Pata de Gato. A porção inferior mostra as linhas detetadas pelo Observatório Espacial Herschel da ESA. As observações do ALMA detetaram mais de dez vezes mais linhas espectrais. Note que os dados do Herschel foram invertidos para comparação. Estão legendadas duas linhas moleculares para fins de referência.
Crédito: NRAO/AUI/NSF, B. McGuire et al.


Composição do ALMA de NGC 6334I, uma região de formação estelar na Nebulosa Pata de Gato, obtida com receptores de Banda 10, a visão de mais alta frequência do ALMA. O componente azul é a água pesada (HDO) que flui para longe de ou uma única protoestrela ou de um pequeno enxame de protoestrelas. A região cor-de-laranja é a "emissão continuada" na mesma região, que os cientistas descobriram ser extraordinariamente rica em impressões digitais moleculares, incluindo glicoaldeído, a molécula mais simples relacionada com o açúcar.
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO): NRAO/AUI/NSF, B. Saxton


Imagem pela Banda 10 do ALMA da água pesada (HDO) que flui para longe da região NGC 6334I da Nebulosa Pata de Gato. Esta imagem é o resultado das capacidades de observação das mais altas frequências pelo ALMA, que puxa os limites da astronomia no solo.
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); NRAO/AUI/NSF, B, Saxton

FONTE: ASTRONOMIA ONLINE

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