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O que 100.000 fábricas estelares em 74 galáxias nos contam sobre a formação estelar em todo o Universo


Seis imagens obtidas pelo ALMA de uma coleção de 74. Fazem parte do levantamento PHANGS-ALMA, que tem o objetivo de estudar as propriedades das nuvens de formação estelar em galáxias de disco.
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); NRAO/AUI/NSF, B. Saxton

As galáxias têm uma ampla variedade de formas e tamanhos. No entanto, algumas das diferenças mais significativas entre as galáxias dizem respeito a onde e como formam novas estrelas. As investigações convincentes para explicar essas diferenças têm sido elusivas, mas isso está prestes a mudar. O ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) está a levar a cabo um levantamento sem precedentes de galáxias de disco próximas com o objetivo de estudar os seus berçários estelares. Com ele, os astrônomos estão a começar a desvendar a relação complexa e ainda pouco entendida entre as nuvens de formação estelar e as suas galáxias hospedeiras.

Um novo e vasto projeto de investigação com o ALMA, conhecido como PHANGS-ALMA (Physics at High Angular Resolution in Nearby GalaxieS), debruça-se sobre esta questão com muito mais poder e precisão do que nunca, medindo a demografia e as características de uns impressionantes 100.000 berçários estelares individuais espalhados por 74 galáxias.

A campanha de pesquisa PHANGS-ALMA, sem precedentes, já acumulou um total de 750 horas de observações e deu aos astrônomos uma compreensão muito mais clara de como o ciclo de formação estelar muda, dependendo do tamanho, idade e dinâmica interna de cada galáxia individual. Esta campanha é dez a cem vezes mais poderosa (dependendo dos parâmetros) do que qualquer outro levantamento anterior do gênero.

"Algumas galáxias produzem furiosamente novas estrelas, enquanto outras já consumiram a maior parte do seu combustível para a formação estelar. A origem desta diversidade pode muito provavelmente estar nas propriedades dos próprios berçários estelares," comenta Erik Rosolowsky, astrónomo da Universidade de Alberta no Canadá e um dos principais investigadores da equipa de investigação do levantamento PHANGS-ALMA.

Rosolowsky apresentou os achados iniciais da investigação na 233.ª reunião da Sociedade Astronômica Americana, que teve lugar a semana passada em Seattle, Washington, EUA. Vários artigos baseados nesta campanha também foram publicados nas revistas The Astrophysical Journal e The Astrophysical Journal Letters.

"As observações anteriores com as gerações anteriores de radiotelescópios fornecem algumas informações cruciais sobre a natureza dos berçários estelares densos e frios," disse Rosolowsky. "No entanto, estas observações carecem de sensibilidade, de resolução e de poder para estudar a grande diversidade dos berçários estelares em toda a população de galáxias locais. Isto limitou seriamente a nossa capacidade para relacionar o comportamento ou propriedades dos berçários estelares individuais com as propriedades das galáxias em que residem."

Durante décadas, os astrônomos especularam que existem diferenças fundamentais na forma como as galáxias de disco com vários tamanhos convertem o hidrogênio em novas estrelas. Alguns astrônomos teorizam que galáxias maiores e geralmente mais velhas não são tão eficientes na produção estelar quanto as suas primas mais pequenas. A explicação mais lógica seria que essas grandes galáxias têm berçários estelares menos eficientes. Mas tem sido difícil testar esta ideia com observações.

Pela primeira vez, o ALMA está a permitir com que os astrônomos realizem o censo abrangente necessário para determinar como as propriedades de grande escala (tamanho, movimento, etc.) de uma galáxia influenciam o ciclo de formação estelar à escala de nuvens moleculares individuais. Estas nuvens têm apenas algumas dezenas a centenas de anos-luz de tamanho, o que é fenomenalmente pequeno à escala de uma galáxia inteira, especialmente quando vista a milhões de anos-luz de distância.

"As estrelas formam-se de modo mais eficiente em algumas galáxias do que noutras, mas a falta de observações em alta resolução e à escala das nuvens fez com que as nossas teorias não fossem bem testadas, razão pela qual estas observações do ALMA são tão críticas," explica Adam Leroy, astrônomo da Universidade Estatal do Ohio e co-investigador principal da equipa PHANGS-ALMA.

Parte do mistério da formação estelar, realçam os astrônomos, tem a ver com o meio interestelar - toda a matéria e energia que preenche o espaço entre as estrelas.

Os astrônomos entendem que existe um ciclo de feedback contínuo no interior e em redor dos berçários estelares. Dentro destas nuvens, regiões de gás denso colapsam e formam estrelas, o que perturba o meio interestelar.

"De facto, a comparação entre as observações iniciais do PHANGS e as posições das estrelas recém-formadas mostra que estas destroem rapidamente as suas nuvens natais," acrescenta Rosolowsky. "A equipa PHANGS está a estudar como esta perturbação tem lugar em diferentes tipos de galáxias, o que pode ser um fator-chave na formação estelar."

Para esta investigação, o ALMA está a observar moléculas de monóxido de carbono (CO) em todas as galáxias espirais relativamente massivas, vistas geralmente de face, visíveis do hemisfério sul. As moléculas de CO emitem naturalmente luz em comprimentos de onda milimétricos que o ALMA pode detetar. São particularmente eficazes em destacar a localização de nuvens de formação estelar.

"O ALMA é uma máquina incrivelmente eficiente a mapear monóxido de carbono em grandes áreas de galáxias próximas," salienta Leroy. "Foi capaz de realizar este levantamento graças ao poder combinado das antenas de 12 metros, que estudam características de escala fina, e às antenas mais pequenas de 7 metros, no centro do complexo, sensíveis a características de grande escala, essencialmente preenchendo as lacunas."

Um estudo complementar, PHANGS-MUSE (Multi-Unit Spectroscopic Explorer), está a usar o VLT (Very Large Telescope) para obter imagens óticas das primeiras 19 galáxias observadas pelo ALMA. Ainda outro levantamento, PHANGS-HST, usa o Telescópio Espacial Hubble para estudar 38 destas galáxias e para encontrar os seus mais jovens enxames estelares. Juntos, estes três levantamentos fornecem uma imagem surpreendentemente completa de quão eficazmente as galáxias produzem estrelas ao estudar o gás molecular frio, o seu movimento, a localização de gás ionizado (regiões onde as estrelas já estão a ser formadas) e as populações estelares completas das galáxias.

"Em astronomia, não temos capacidade para observar o cosmos a mudar ao longo do tempo; as escalas de tempo simplesmente superam avassaladoramente a existência humana," diz Rosolowsky. "Não podemos observar um objeto para todo o sempre, mas podemos observar centenas de milhares de nuvens de formação estelar em galáxias de diferentes tamanhos e idades para inferir como a evolução galáctica funciona. Esse é o valor real da campanha PHANGS-ALMA."

"Também analisamos milhares a dezenas de milhares de regiões de formação estelar dentro de cada galáxia, capturando-as ao longo do seu ciclo de vida. Isto permite-nos construir uma imagem do nascimento e da morte dos berçários estelares nas galáxias, algo quase impossível antes do ALMA," acrescenta Leroy.

Até agora, o PHANGS-ALMA estudou aproximadamente 100.000 objetos semelhantes à Nebulosa de Orion no Universo próximo. Espera-se que a campanha acabe eventualmente por observar cerca de 300.000 regiões de formação estelar.


Imagem ALMA da galáxia NGC 4321, também conhecida como Messier 100, uma galáxia espiral intermédia localizada a mais ou menos 55 milhões de anos-luz da Terra, na direção da constelação de Cabeleira de Berenice. A imagem faz parte do levantamento PHANGS-ALMA, com o objetivo de estudar as propriedades das nuvens de formação estelar em galáxias de disco.
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); NRAO/AUI/NSF, B. Saxton


Composição entre uma imagem do ALMA (laranja) e do Hubbe (azul), da galáxia Messier 74, também conhecida como NGC 628, uma galáxia espiral na constelação de Peixes, localizada a cerca de 32 milhões de anos-luz da Terra. A imagem faz parte do levantamento PHANGS-ALMA, com o objetivo de estudar as propriedades das nuvens de formação estelar em galáxias de disco.
Crédito: ALMA - NRAO/AUI/NSF, B. Saxton; NASA/Hubble



FONTE: ASTRONOMIA ONLINE

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