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quarta-feira, 20 de agosto de 2014

Galaxias de lentes gravitacionais



Utilizando o Telescópio Espacial Hubble, astrônomos descobriram acidentalmente a mais distante galáxia, que atua como uma lente de aumento cósmica. Vista aqui como era há 9,6 bilhões de anos, este  gigantesca galáxia elíptica bate o recorde anterior por uma diferença de 200 milhões de anos.
Essas galáxias de "lente" são tão grandes que sua força gravitacional entorta, amplia e distorce a luz de objetos atrás dela, um fenômeno chamado "lentes gravitacionais". Encontrar uma dessas em uma região tão pequena do céu é tão raro que normalmente seria preciso pesquisar uma região centenas de vezes maior para achar apenas uma.
O objeto atrás da lente cósmica é uma minúscula galáxia espiral passando por rápido surto de formação estelar. Sua luz levou 10,7 bilhões de anos para chegar até nós, e ver este alinhamento fortuito a uma distância tão grande da Terra é algo raro. A localização de mais dessas distantes galáxias de lente permitirá compreender como jovens galáxias do universo primordial se transformaram nas grandes galáxias de hoje, dominadas por matéria escura. A matéria escura não pode ser vista, mas corresponde à maior parte da matéria existente no universo.
"Quando se observa o universo primordial mais de 9 bilhões de anos atrás, não se espera encontrar este tipo de galáxias de lente," explicou a pesquisadora principal Kim-Vy Tran, Universidade Texas A&M, em College Station. "É muito difícil ver um alinhamento entre duas galáxias no universo primordial. Imagine-se segurando uma lente de aumento próxima a você e, depois, afastando-a bastante. Ao olhar através da lente mantida à distância de um braço estendido, as chances de se ver uma objeto ampliado são grandes. Mas se você mover a lente pela sala, suas chances de ver a lente perfeitamente alinhada a outro objeto distante dela diminuem."
Os membros da equipe Kenneth Wong e Sherry Suyu, do Instituto de Astronomia e Astrofísica Academia Sinica (ASIAA), em Taipei, Taiwan, utilizaram o efeito de lente gravitacional do alinhamento fortuito para calcular a massa total da galáxia gigante, inclusive a quantidade de matéria escura, medindo a intensidade de seus efeitos de lente sobre a luz da galáxia de fundo. A gigantesca galáxia de fundo pesa 180 bilhões de vezes mais do que o Sol, sendo uma galáxia de grande massa para sua época. É também um dos mais brilhantes integrantes de um distante aglomerado galáctico chamado IRC 0218.
"Existem centenas de galáxias de lente que conhecemos, mas quase todas elas estão relativamente próximas, em termos cósmicos," disse Wong, primeiro autor do artigo científico da equipe. "Achar uma lente tão distante quanto essa é uma descoberta muito especial porque podemos entender o conteúdo de matéria escura de galáxias do passado distante. Comparando nossa análise desta galáxia de lente com outras de lente mais próximas, podemos começar a entender como aquele conteúdo de matéria escura de desenvolveu com o tempo."
A equipe acredita que a galáxia de lente tenha continuado a crescer durantes os 9 bilhões de anos passados, ganhando estrelas e matéria escura ao canibalizar galáxias vizinhas. Tran explicou que estudos recentes indicam que essas galáxias de grande massa adquirem mais matéria escura do que estrelas, enquanto continuam a crescer. Os astrônomos acreditavam que a matéria escura e a normal se acumulassem igualmente na galáxia ao longo do tempo, mas sabem agora que a relação entre matéria escura e normal muda com o tempo. A distante galáxia de lente recém-descoberta irá acabar ganhando mais massa, tornando-se maior do que a Via Láctea, e terá mais matéria escura, também.
Tran e equipe estudaram a formação de estyrelas em dois distantes aglomerados galácticos, inclusive IRC 0218, quando deram de cara com a lente gravitacional. Ao analisar dados spectrográficos do Observatório W.M. Keck, no Havaí, Tran identificou uma forte deteção de gás hidrogênio quente que parecia surgir de uma galáxia elíptica gigante. A detecção foi uma surpresa porque o gás hidrogênio quente é um claro indício de nascimento estelar. Observações anteriores mostraram que a gigante elíptica, localizada no aglomerado galáctico IRC 0218, era uma velha e calma galáxia que cessara de produzir estrelas havia muito tempo. Outra descoberta desconcertante foi a de que as estrelas jovens estavam a uma distância muito maior do que a da galáxia elíptica. Tran ficou muito surpresa e aborrecida, e pensou que sua equipe havia cometido um grande erro em suas observações.
A astrônoma logo percebeu que não havia cometido nenhum erro quando viu as imagens do Hubble obidas em comprimentos de onda azuis, que  revelaram o brilho de jovens estrelas. As imagens, registradas com a Câmera Avançada de Pesquisas e a Câmera Grande Angular 3 do Hubble, revelaram um objeto azul.com formato de sobrancelha, próximo a um ponto azul disforme ao redor da grande elíptica. Tran reconheceu as características incomuns como as imagens distorcidas e ampliadas de uma galáxia mais distante atrás da galáxia elíptica, a marca de uma lente gravitacional.
Para confirmar sua hipótese de lentes gravitacionais, a equipe de Tran analisou dados de arquivo do Hubble de dois programas de observações, a pesquisa 3D-HST, uma pesquisa espectroscópica em frequência de luz próxima ao infravermelho, feita com a Câmera Grande Angular 3, e a pesquisa Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy, um grande programa de espaço profundo do Hubble. Os dados  revelaram outra marca de gás quente relacionada à galáxia mais distante.
A galáxia distante é muito pequena, e está longe demais para que o Hubble possa examinar sua estrutura. Então, os membros da equipe analisaram a distribuição de luz no objeto para deduzir sua forma espiral. Além disso, galáxias espirais eram mais numerosas durante esses tempos primordiais. As imagens do Hubble também revelaram ao menos uma região compacta brilhante próxima ao centro. A equipe suspeita que a região brilhante seja resultado de uma breve formação estelar, sendo mais provavelmente composta de gás hidrogênio quente aquecido por grandes estrelas jovens. Enquanto Tran continua seu estudo sobre formação de estrelas em aglomerados galácticos, irá procurar mais marcas de lentes gravitacionais.


Tradução de Luiz Leitão

Astronomers using NASA's Hubble Space Telescope have unexpectedly discovered the most distant galaxy that acts as a cosmic magnifying glass. Seen here as it looked 9.6 billion years ago, this monster elliptical galaxy breaks the previous record-holder by 200 million years.
These "lensing" galaxies are so massive that their gravity bends, magnifies, and distorts light from objects behind it, a phenomenon called gravitational lensing.  Finding one in such a small area of the sky is so rare that you would normally have to survey a region hundreds of times larger to find just one.
The object behind the cosmic lens is a tiny spiral galaxy undergoing a rapid burst of star formation. Its light has taken 10.7 billion years to arrive here and seeing this chance alignment at such a great distance from Earth is a rare find. Locating more of these distant lensing galaxies will offer insight into how young galaxies in the early universe build themselves up into the massive dark-matter-dominated galaxies of today. Dark matter cannot be seen, but it accounts for the bulk of the universe's matter.
"When you look more than 9 billion years ago in the early universe, you don't expect to find this type of galaxy lensing at all," explained lead researcher Kim-Vy Tran of Texas A&M University in College Station. "It's very difficult to see an alignment between two galaxies in the early universe. Imagine holding a magnifying glass close to you and then moving it much farther away. When you look through a magnifying glass held at arm's length, the chances that you will see an enlarged object are high. But if you move the magnifying glass across the room, your chances of seeing the magnifying glass nearly perfectly aligned with another object beyond it diminishes."
Team members Kenneth Wong and Sherry Suyu of Academia Sinica Institute of Astronomy & Astrophysics (ASIAA) in Taipei, Taiwan, used the gravitational lensing from the chance alignment to measure the giant galaxy's total mass, including the amount of dark matter, by gauging the intensity of its lensing effects on the background galaxy's light. The giant foreground galaxy weighs 180 billion times more than our sun and is a massive galaxy for its time. It is also one of the brightest members of a distant cluster of galaxies, called IRC 0218.
"There are hundreds of lens galaxies that we know about, but almost all of them are relatively nearby, in cosmic terms," said Wong, first author on the team's science paper. "To find a lens as far away as this one is a very special discovery because we can learn about the dark-matter content of galaxies in the distant past. By comparing our analysis of this lens galaxy to the more nearby lenses, we can start to understand how that dark-matter content has evolved over time."
The team suspects the lensing galaxy continued to grow over the past 9 billion years, gaining stars and dark matter by cannibalizing neighboring galaxies. Tran explained that recent studies suggest these massive galaxies gain more dark matter than stars as they continue to grow. Astronomers had assumed dark matter and normal matter build up equally in a galaxy over time, but now know the ratio of dark matter to normal matter changes with time. The newly discovered distant lensing galaxy will eventually become much more massive than the Milky Way and will have more dark matter, too.
Tran and her team were studying star formation in two distant galaxy clusters, including IRC 0218, when they stumbled upon the gravitational lens. While analyzing spectrographic data from the W.M. Keck Observatory in Hawaii, Tran spotted a strong detection of hot hydrogen gas that appeared to arise from a giant elliptical galaxy. The detection was surprising because hot hydrogen gas is a clear signature of star birth. Previous observations showed that the giant elliptical, residing in the galaxy cluster IRC 0218, was an old, sedate galaxy that had stopped making stars a long time ago. Another puzzling discovery was that the young stars were at a much farther distance than the elliptical galaxy. Tran was very surprised, worried and thought her team made a major mistake with their observations.
The astronomer soon realized she hadn't made a mistake when she looked at the Hubble images taken in blue wavelengths, which revealed the glow of fledgling stars. The images, taken by Hubble's Advanced Camera for Surveys and the Wide Field Camera 3, revealed a blue, eyebrow-shaped object next to a smeared blue dot around the massive elliptical. Tran recognized the unusual features as the distorted, magnified images of a more distant galaxy behind the elliptical galaxy, the signature of a gravitational lens.
To confirm her gravitational-lens hypothesis, Tran's team analyzed Hubble archival data from two observing programs, the 3D-HST survey, a near-infrared spectroscopic survey taken with the Wide Field Camera 3, and the Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey, a large Hubble deep-sky program. The data turned up another fingerprint of hot gas connected to the more distant galaxy.
The distant galaxy is too small and far away for Hubble to determine its structure. So, team members analyzed the distribution of light in the object to infer its spiral shape. In addition, spiral galaxies are more plentiful during those early times. The Hubble images also revealed at least one bright compact region near the center. The team suspects the bright region is due to a flurry of star formation and is most likely composed of hot hydrogen gas heated by massive young stars. As Tran continues her star-formation study in galaxy clusters, she will be hunting for more signatures of gravitational lensing.


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