Os locais de nascimento das estrelas na Galáxia do Redemoinho

Pela primeira vez, assinaturas individuais de nuvens frias e densas de formação de estrelas numa galáxia fora da Via Láctea foram mapeadas numa vasta área. 

Esta ilustração mostra a distribuição da radiação da molécula de diazenílio (cores falsas) na Galáxia do Redemoinho, comparada com uma imagem ótica. As áreas avermelhadas na fotografia representam nebulosas de gás luminoso contendo estrelas quentes e massivas que atravessam zonas escuras de gás e poeira nos braços espirais. A presença de diazenílio nestas regiões escuras sugere nuvens de gás particularmente frias e densas. Crédito: Thomas Müller (HdA/MPIA), S. Stuber et al. (MPIA), NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) e equipa do Património Hubble (STScI/AURA) 

Uma equipe de investigação internacional liderada por astrónomos do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) mapeou meticulosamente regiões expansivas de gás frio e denso, os futuros berçários estelares, numa galáxia fora da Via Láctea, com detalhes sem precedentes. Utilizando o interferómetro NOEMA, estas observações cobrem uma vasta extensão dentro da galáxia, fornecendo informações sobre as diversas condições que conduzem à formação estelar.

Os dados marcam uma conquista inovadora neste tipo de medição, permitindo aos investigadores, pela primeira vez, examinar as fases iniciais da formação estelar para além da Via Láctea em escalas tão minúsculas como as nuvens de gás individuais que dão origem a estrelas.

Paradoxalmente, a evolução das estrelas quentes inicia-se em algumas das regiões mais frias do Universo – nuvens densas de gás e poeira que atravessam galáxias inteiras. “ Para investigar as fases iniciais da formação estelar, onde o gás se condensa gradualmente para eventualmente produzir estrelas, devemos primeiro identificar estas regiões ”, diz Sophia Stuber, estudante de doutoramento no Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) em Heidelberg. Ela é a autora principal do artigo de pesquisa previsto para publicação na Astronomy & Astrophysics . “ Para isso, normalmente medimos a radiação emitida por moléculas específicas que são particularmente abundantes nestas zonas extremamente frias e densas. ”

Moléculas como sondas químicas

Os astrônomos normalmente empregam moléculas como HCN (cianeto de hidrogênio) e N 2 H + (diazenílio) como sondas químicas na exploração da formação de estrelas na Via Láctea. “ Mas só agora conseguimos medir estas assinaturas com grande detalhe numa extensa área dentro de uma galáxia fora da Via Láctea, cobrindo várias zonas com condições diversas ”, explica Eva Schinnerer, líder do grupo de investigação do MPIA. “ Mesmo à primeira vista, é evidente que, embora as duas moléculas revelem efectivamente um gás denso, também revelam diferenças interessantes. ”

Através de colisões com as abundantes moléculas de hidrogénio, que são difíceis de detectar, outras moléculas são colocadas em rotação. Após uma redução na velocidade de rotação, emitem radiação com comprimentos de onda característicos, aproximadamente três milímetros para as moléculas acima mencionadas.

Estas medições fazem parte de um programa observacional abrangente denominado SWAN (Surveying the Whirlpool at Arcsecond with NOEMA), co-liderado por Schinnerer e Frank Bigiel da Universidade de Bonn. Utilizando o Northern Extended Millimeter Array (NOEMA), um interferômetro de rádio nos Alpes franceses, a equipe pretende estudar a distribuição de várias moléculas nos 20.000 anos-luz internos da Galáxia Whirlpool (Messier 51), incluindo cianeto de hidrogênio e diazenílio. Além das 214 horas de observação deste programa, cerca de 70 horas de outras campanhas de observação com o telescópio de antena única de 30 metros no sul de Espanha complementam o conjunto de dados.

“ Como os dados dos interferómetros de rádio são muito mais complexos do que as imagens dos telescópios, o processamento e o refinamento dos dados demoraram aproximadamente mais um ano ”, observa Jérôme Pety, do Instituto de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), a instituição que opera os telescópios. Telescópios interferométricos como o NOEMA consistem em múltiplas antenas individuais, alcançando coletivamente uma resolução de detalhes comparável a um telescópio com um diâmetro de espelho primário equivalente ao espaçamento entre os telescópios individuais.

As propriedades do gás dependem do meio ambiente

À medida que observamos esta galáxia a uma distância de aproximadamente 28 milhões de anos-luz, podemos distinguir assinaturas de nuvens de gás individuais em diversas áreas, como o centro e os braços espirais. “ Aproveitamos esta circunstância para determinar quão bem os dois gases traçam para nós as nuvens densas nesta galáxia e se eles são igualmente adequados ”, explica Stuber.

Embora a intensidade da radiação do cianeto de hidrogénio e do diazenílio aumente e diminua consistentemente ao longo dos braços espirais, fornecendo resultados igualmente fiáveis ​​para a determinação da densidade do gás, os astrónomos encontram um desvio notável no centro galáctico. Comparado ao diazenílio, o brilho da emissão de cianeto de hidrogênio aumenta mais significativamente nesta região. Parece haver um mecanismo que estimula o cianeto de hidrogênio a emitir luz adicional, o que não é observado no diazenílio.

“ Suspeitamos que o núcleo galáctico ativo na Galáxia do Redemoinho seja responsável por isso ”, diz Schinnerer. Esta região circunda o buraco negro massivo central. Antes de o gás cair no buraco negro, ele forma um disco giratório, acelera a altas velocidades e é aquecido a milhares de graus por fricção, emitindo radiação intensa.

Esta radiação poderia de facto contribuir parcialmente para a emissão adicional de moléculas de cianeto de hidrogénio. “ No entanto, ainda precisamos explorar em detalhes o que faz com que os dois gases se comportem de maneira diferente ”, acrescenta Schinnerer.

Um desafio que vale a pena

Assim, pelo menos na região central da Galáxia do Redemoinho, o diazenílio parece ser a sonda de densidade mais confiável em comparação com o cianeto de hidrogênio. Infelizmente, ele brilha cinco vezes mais fraco, em média, para a mesma densidade de gás, aumentando significativamente o esforço de medição. A sensibilidade adicional necessária é alcançada através de um período de observação consideravelmente mais longo.

A perspectiva de explorar detalhadamente as fases iniciais das galáxias fora da Via Láctea traz esperança aos cientistas. Uma visão tão clara da Galáxia do Redemoinho não está disponível para a Via Láctea. Embora as nuvens moleculares e as regiões de formação estelar estejam mais próximas na Via Láctea, determinar a estrutura exata e a localização dos braços espirais e das nuvens é consideravelmente mais desafiador.

“ Embora possamos aprender muito com o programa de observação detalhado do Whirlpool Galaxy, trata-se, de certa forma, de um projeto piloto ”, destaca Stuber. “ Adoraríamos explorar mais galáxias desta forma no futuro.

” No entanto, esta possibilidade enfrenta atualmente limitações devido às capacidades técnicas. O Whirlpool Galaxy brilha excepcionalmente à luz dessas sondas químicas. Para outras galáxias, os telescópios e instrumentos precisam ser muito mais sensíveis.

“ O Very Large Array (ngVLA) de próxima geração, atualmente em planejamento, provavelmente será suficientemente poderoso ”, espera Schinnerer. Se tudo correr bem, ele só estará disponível daqui a aproximadamente dez anos. Até então, a Galáxia Whirlpool serve como um rico laboratório para explorar a formação de estrelas em escala galáctica.

Fonte: mpia.de