JWST revela o fluxo de resfriamento no Aglomerado Fênix

O Aglomerado Fênix está entre os aglomerados de galáxias mais massivos já identificados. Até agora, astrónomos catalogaram 42 galáxias-membro, embora o total possa chegar a cerca de 1.000. Pelo tamanho e pela idade do sistema, seria de esperar que ele já tivesse encerrado aquela fase intensa de formação estelar típica de galáxias mais jovens.

Só que não é o que acontece.

Para nascerem estrelas, é indispensável gás frio e denso. Já o gás quente tende a resistir ao colapso que forma núcleos estelares - que se tornam protoestrelas e, depois, estrelas da sequência principal. Em galáxias e aglomerados mais antigos, o gás frio costuma ter sido consumido ao longo do tempo ou removido por processos ambientais.

Quando isso ocorre, fala-se em galáxias “apagadas” (quenched). Do ponto de vista da formação estelar, elas costumam ser classificadas como sequência vermelha (velhas e apagadas) ou nuvem azul (com formação estelar mais activa).

Por que o Aglomerado Fênix desafia o “problema do fluxo de resfriamento”

A galáxia central do Aglomerado Fênix está a aproximadamente 5,8 bilhões de anos-luz e, em tese, já deveria ter praticamente terminado de formar estrelas. Em muitos aglomerados, existe uma vasta região de gás quente no meio intraclustre (ICM). Num cenário típico, parte desse gás arrefece e acaba por alimentar a formação de novas estrelas.

No entanto, as observações mostram que, nesses sistemas, a taxa de formação estelar costuma ser surpreendentemente baixa - e frequentemente nem há sinais do gás frio esperado. Essa discrepância ficou conhecida como “problema do fluxo de resfriamento”, que leva a uma pergunta directa: por que o ICM não está arrefecendo e, assim, gerando novas estrelas?

A explicação mais aceita afirma que jatos de buracos negros associados a núcleos galácticos activos (AGN) aquecem o gás e impedem que ele se transforme em estrelas.

O intrigante é que a galáxia central do Aglomerado Fênix, apesar de também “dever” estar perto do fim dessa fase, apresenta um núcleo intensamente brilhante - assinatura comum de uma formação estelar vigorosa. Em algum lugar, o Aglomerado Fênix mantém (ou produz) uma fonte de gás frio que está a sustentar esse nascimento de estrelas.

O gás frio surgiu ali mesmo? Ou estaria a ser canalizado a partir de galáxias mais jovens?

O JWST e o mapa do gás morno via néon

Um estudo recente usou o Telescópio Espacial James Webb (JWST) para investigar o coração do aglomerado. A motivação veio de observações anteriores, feitas com outros instrumentos, que já indicavam um brilho anormalmente elevado no núcleo - sinal de uma formação estelar intensa. Como isso contrariava o que se esperava para aglomerados desse tipo, os cientistas decidiram aprofundar a investigação.

O trabalho foi publicado na revista Nature com o título “Directly imaging the cooling flow in the Phoenix cluster”. O autor principal é Michael Reefe, pós-graduando em Física no Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, do MIT.

O coautor Michael McDonald, professor associado de Física no MIT, liderou a equipa que descobriu o Aglomerado Fênix em 2010 com o South Pole Telescope.

Dois anos depois, o grupo voltou a observá-lo com vários telescópios e constatou que a galáxia central era brilhante demais - e que esse excesso vinha de uma formação estelar extrema. Os investigadores estimaram que até 1.000 estrelas poderiam estar a formar-se por ano, um valor espantoso quando comparado com a Via Láctea, que, segundo alguns estudos, forma menos de 10 estrelas por ano.

Observações anteriores também mostraram que o Aglomerado Fênix contém tanto gás muito quente quanto gás muito frio. Foram detectadas bolsas de gás ultrquente com cerca de 1.000.000 °F (aproximadamente 555.000 °C) e regiões de gás extremamente frio a apenas 10 kelvins, ou 10 graus acima do zero absoluto.

A presença de gás quente não é surpreendente: buracos negros supermassivos (SMBHs) podem lançar jatos extremamente energéticos capazes de aquecer o ambiente. Em galáxias jovens, parte desse gás consegue arrefecer e formar estrelas. A galáxia central do Aglomerado Fênix também apresenta gás frio, mas havia um ponto estranho nas medições anteriores: não aparecia o gás morno “intermediário” entre os extremos quente e frio. Seria o Aglomerado Fênix um caso com a resposta para o problema do fluxo de resfriamento?

A equipa argumentou que, se a galáxia central estiver a produzir o gás frio detectado, então deve existir um componente morno entre o gás quente e o frio. É aí que o JWST se torna decisivo.

Com o seu poder de observação no infravermelho, o JWST encontrou esse gás morno. Isso indica que o aglomerado consegue gerar o gás frio necessário para a formação estelar, já que o gás morno funciona como evidência de uma transição real entre os extremos de temperatura.

As novas observações, baseadas em emissões de néon, forneceram o primeiro mapa em grande escala do gás com temperaturas entre 100.000 e 1.000.000 kelvins no Aglomerado Fênix.

Os cientistas usaram o espectrômetro de média resolução do MIRI e recolheram 12 horas de dados no infravermelho. O alvo era um comprimento de onda específico emitido pelo néon a cerca de 300.000 K (aproximadamente 540.000 °F), o que sinaliza a presença do gás morno intermediário - exactamente o tipo de evidência esperada se houver arrefecimento.

O ponto crucial é que o néon aparece coespacial com outras estruturas, como o gás mais frio e as regiões onde a formação estelar está activa. Isso sustenta uma ligação directa entre o gás intermediário, o seu arrefecimento e o nascimento de estrelas.

“Esse gás a 300.000 graus é como um letreiro de néon que brilha num comprimento de onda específico, e nós conseguimos ver aglomerados e filamentos dele por todo o nosso campo de visão”, disse Reefe num comunicado à imprensa. “Dava para ver por toda parte.”

“Pela primeira vez, temos um quadro completo da fase quente-para-morna-para-fria na formação estelar, algo que realmente nunca foi observado em nenhuma galáxia”, afirmou Reefe. “Há um halo desse gás intermediário em todo lugar que conseguimos ver.”

O facto de os astrónomos não terem detectado antes esse gás morno no Aglomerado Fênix não significa que ele não existisse - e sim que faltava sensibilidade. O JWST está a oferecer a melhor visão já obtida de galáxias, revelando detalhes que permaneciam ocultos.

Mesmo assim, permanece a dúvida: o Fênix é uma exceção? O JWST encontrará o mesmo tipo de gás morno noutras galáxias?

O que isso indica sobre o feedback do buraco negro no Aglomerado Fênix

“A questão agora é: por que este sistema?”, acrescentou McDonald. “Esse enorme surto de formação estelar pode ser algo pelo qual todo aglomerado passa em algum momento, mas nós só estamos a vê-lo acontecer actualmente num aglomerado. A outra possibilidade é que haja algo divergente neste sistema, e o Fênix seguiu um caminho que outros sistemas não seguem. Isso seria interessante de explorar.”

“Antes do Fênix, o aglomerado de galáxias com maior formação estelar no Universo tinha cerca de 100 estrelas por ano, e mesmo isso era um valor fora da curva. O número típico é algo como uma”, disse McDonald. “O Fênix está realmente deslocado do resto da população.”

Isso leva a uma das questões ainda em aberto sobre galáxias antigas. Em princípio, elas deveriam estar apagadas - “vermelhas e mortas” -, mas nem todas estão. Então, de onde veio esse gás frio? Ele teria sido trazido de fora?

“A pergunta tem sido: de onde veio esse gás frio?”, disse McDonald. “Não é garantido que o gás quente vá arrefecer, porque pode haver retroacção do buraco negro ou de supernovas. Então, há algumas opções viáveis; a mais simples é que esse gás frio tenha sido arremessado para o centro a partir de outras galáxias próximas. A outra é que esse gás esteja, de alguma forma, a arrefecer directamente a partir do gás quente no núcleo.”

O facto de as emissões de [Ne VI] serem coespaciais com as áreas de formação estelar activa aponta para um episódio recente de arrefecimento rápido do gás, gerando um pico no processo de resfriamento.

Os investigadores afirmam que esse resfriamento extremo está a produzir 20.000 massas solares de gás frio por ano. Isso indica que a galáxia consegue fornecer o seu próprio combustível frio para formar estrelas - em vez de depender de material vindo de fora. A questão passa a ser: como isso acontece?

Os resultados sugerem que, de algum modo, o buraco negro central pode estar a favorecer o resfriamento do gás, e não apenas a aquecê-lo.

“Esses dados fornecem um mapa em grande escala do gás a temperaturas entre 10^5 kelvin e 10^6 kelvin num núcleo de aglomerado e destacam o papel crítico que a retroacção do buraco negro tem não apenas em regular o resfriamento, mas também em promovê-lo”, escrevem os autores.

A pesquisa resolve parte do enigma que o Aglomerado Fênix impõe.

“Se episódios de resfriamento de curta duração forem comuns na população de aglomerados de galáxias, fornecendo o combustível necessário para a retroacção contínua de AGN, então o Fênix oferece uma janela única para esse processo criticamente importante, mas raramente capturado, para compreender a formação das galáxias mais massivas do Universo”, escrevem os autores na conclusão.

“Acho que entendemos de forma bastante completa o que está a acontecer, em termos do que está a gerar todas essas estrelas”, disse McDonald. “Não entendemos o porquê. Mas este novo trabalho abriu uma nova forma de observar esses sistemas e entendê-los melhor.”

Este artigo foi publicado originalmente pelo Universo Hoje. Leia o artigo original.