Astrônomos observam nuvem de gás escaldante em torno de um protoaglomerado galáctico

Astrofísicos usando o Observatório W. M. Keck, em Maunakea, no Havaí, descobriram um protoaglomerado de galáxias no início do universo cercado por gás que é surpreendentemente quente.

Uma visualização simulada retrata o cenário de aquecimento em larga escala em torno de um protoaglomerado de galáxias, usando dados de simulações de supercomputadores. Acredita-se que este seja um cenário semelhante ao observado no protocluster COSTCO-I. A área amarela no centro da imagem representa uma enorme bolha de gás quente que abrange vários milhões de anos-luz. A cor azul indica gás mais frio localizado nas regiões externas do protoaglomerado e os filamentos que conectam o gás quente com outras estruturas. Os pontos brancos embutidos na distribuição de gás são a luz emitida pelas estrelas. Crédito: A TREZENTOS Colaboração

Este gás escaldante abraça uma região que consiste em uma coleção gigante de galáxias chamada COSTCO-I. Observado quando o universo era 11 bilhões de anos mais jovem, o COSTCO-I remonta a uma época em que o gás que preenchia a maior parte do espaço fora das galáxias visíveis, chamado de meio intergaláctico, era significativamente mais frio.

Durante esta era, conhecida como "Cosmic Noon", as galáxias no universo estavam no auge da formação de estrelas; seu ambiente estável estava cheio do gás frio que precisavam para se formar e crescer, com temperaturas medindo cerca de 10.000 graus Celsius.

Em contraste, o caldeirão de gás associado ao COSTCO-I parece à frente de seu tempo, torrando em um estado quente e complexo; suas temperaturas se assemelham ao meio intergaláctico atual, que se assemelha de 100.000 a mais de 10 milhões de graus Celsius, muitas vezes chamado de "Meio Intergaláctico Quente-Quente" (WHIM).

Esta descoberta marca a primeira vez que os astrofísicos identificaram uma mancha de gás antigo mostrando características do meio intergaláctico moderno; é de longe a parte mais antiga conhecida do universo que está fervida até as temperaturas do WHIM de hoje.

A pesquisa, que é liderada por uma equipe do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU, parte da Universidade de Tóquio), foi publicada no The Astrophysical Journal Letters.

"Se pensarmos no meio intergaláctico atual como um gigantesco ensopado cósmico que está fervendo e espumando, então o COSTCO-I é provavelmente a primeira bolha que os astrônomos observaram, durante uma era no passado distante, quando a maior parte da panela ainda estava fria", disse Khee-Gan Lee, professor assistente da Kavli IPMU e coautor do artigo.

A equipe observou o COSTCO-I quando o universo tinha apenas um quarto de sua idade atual. O protoaglomerado de galáxias tem uma massa total de mais de 400 trilhões de vezes a massa do nosso Sol e abrange vários milhões de anos-luz.

Esta figura compara a absorção de hidrogênio observada nas proximidades do protoaglomerado de galáxias COSTCO-I (painel superior), em comparação com a absorção esperada, dada a presença do protoaglomerado, conforme calculado a partir de simulações de computador. A forte absorção de hidrogênio é mostrada em vermelho, menor, enquanto a fraca absorção é mostrada em azul, e a absorção intermediária é denotada como cores verde ou amarela. Os pontos pretos na figura mostram onde os astrônomos detectaram galáxias nessa área. Na posição de COSTCO-I (com seu centro marcado como uma estrela em ambos os painéis), os astrônomos descobriram que a absorção de hidrogênio observada não é muito diferente do valor médio do universo naquela época. Isso é surpreendente porque seria de se esperar encontrar uma absorção prolongada de hidrogênio abrangendo milhões de anos-luz nessa região correspondente à alta concentração observada de galáxias. Esta figura é adaptada do artigo de Dong et al. 2023 Astrophysical Journal Letters. Crédito: Dong et al.

Enquanto os astrônomos estão agora descobrindo regularmente protoaglomerados de galáxias tão distantes, a equipe encontrou algo estranho quando verificou os espectros ultravioleta que cobrem a região do COSTCO-I usando o Espectrômetro de Imagem de Baixa Resolução (LRIS) do Observatório Keck. Normalmente, a grande massa e o tamanho dos protoaglomerados de galáxias lançariam uma sombra quando vistos nos comprimentos de onda específicos do hidrogênio neutro associado ao gás protoaglomerado.

Nenhuma sombra de absorção foi encontrada no local do COSTCO-I. 

"Ficamos surpresos porque a absorção de hidrogênio é uma das maneiras comuns de procurar protoaglomerados de galáxias, e outros protoaglomerados perto do COSTCO-I mostram esse sinal de absorção", disse Chenze Dong, estudante de mestrado da Universidade de Tóquio e principal autora do estudo. "As capacidades ultravioletas sensíveis do LRIS no Telescópio Keck I nos permitiram fazer mapas de gás hidrogênio com alta confiança, e a assinatura do COSTCO-I simplesmente não estava lá."

A ausência de hidrogênio neutro traçando o protoaglomerado implica que o gás no protoaglomerado deve ser aquecido a temperaturas possivelmente de milhões de graus, muito acima do estado frio esperado para o meio intergaláctico naquela época distante.

"As propriedades e a origem do WHIM continuam sendo uma das maiores questões da astrofísica no momento. Ser capaz de vislumbrar um dos primeiros locais de aquecimento do WHIM ajudará a revelar os mecanismos que fizeram com que o gás intergaláctico fervesse na espuma atual ", disse Lee.

"Existem algumas possibilidades de como isso pode acontecer, mas pode ser que seja a partir do aquecimento de gás à medida que colidem uns com os outros durante o colapso gravitacional, ou jatos de rádio gigantes podem estar bombeando energia de buracos negros supermassivos dentro do protoaglomerado."

O meio intergaláctico serve como o reservatório de gás que alimenta a matéria-prima das galáxias. O gás quente se comporta de forma diferente do gás frio, o que determina a facilidade com que eles podem fluir para as galáxias para formar estrelas. Como tal, ter a capacidade de estudar diretamente o crescimento do WHIM no universo primitivo permite que os astrônomos construam uma imagem coerente da formação de galáxias e do ciclo de vida do gás que a alimenta.

Fonte: phys.org