Catorze galáxias e um protoaglomerado

Título: A massive core for a cluster of galaxies at a redshift of 4.3

Autor: T. B. Miller, S. C. Chapman, M. Aravena e colaboradores

Instituição do primeiro autor: Department of Physics and Atmospheric Science, Dalhousie University, Halifax, Canadá

Status: Publicado na revista Nature, [acesso aberto no arXiv]

Aglomerados de galáxias são as maiores estruturas, ligadas pela gravidade, presentes no universo. Com número de galáxias por vezes chegando a milhares, é onde existe a maior concentração de matéria, incluindo a escura, e onde se observam grande galáxias elípticas, resultado de várias interações entre galáxias. Além disso, os aglomerados normalmente hospedam buracos negros supermassivos e com grandes quantidades de gás quente emitindo raios-X. Porém, como os aglomerados se formam e evoluem são questões ainda em discussão.

Por isso, é importante o estudo dos chamados “protoaglomerados” de galáxias, aglomerados ainda em formação quando o universo ainda era jovem. Observações de tais aglomerados em formação são difíceis pois conforme observamos cada vez mais longe (ao longo de um universo mais jovem), a luminosidade observada das galáxias diminui, e conseguimos observar apenas as muito luminosas. Apesar de simulações indicarem que aglomerados de muitas galáxias formando estrelas em grandes quantidades devem existir no universo jovem, os protoaglomerados observados até o momento indicam apenas um punhado de galáxias em seu estado mais ativo de formação estelar.

No artigo de hoje os autores reportam a descoberta de 14 galáxias com alta taxa de formação estelar no protoaglomerado SPT2349-56, que fica a 12,4 bilhões de anos-luz de distância (redshift de 4.31, quando o universo tinha apenas 1,4 bilhões de anos). Inicialmente descoberto utilizando o South Pole Telescope, o protoaglomerado SPT2349-56 foi observado com o rádio telescópio ALMA, que obtêm espectros e imagens com alta resolução espacial. Utilizando estes espectros, os autores utilizaram duas linhas de emissão relacionadas a formação estelar, [CII] e CO(4-3). Medindo estas linhas eles conseguiram estimar a taxa de formação de estrelas nestas galáxias, que chega até ~1000 massas solares por ano nas duas mais brilhantes, enquanto o sistema todo forma estrelas em uma taxa de 6000 massas solares por ano. Esta taxa é 6000 vezes maior que a da Via Láctea!

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Fig. 1: Imagem do radio telescópio ALMA do protoaglomerado SPT2349-56, mostrando que algumas galáxias já aparentam estar em interação. (Créditos:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); B. Saxton (NRAO/AUI/NSF))

Como um protoaglomerado com tantas galáxias foi formado no universo tão jovem é um desafio para nossa compreensão de evolução cósmica. A figura 2 é um demonstrativo disso. No painel à esquerda vemos a relação entre a luminosidade na faixa de 870 µm (que está relacionada com a taxa de formação estelar) e a concentração espacial desta luminosidade. Ou seja, quão concentrada é a formação estelar. Os asteriscos pretos, que representam SPT2349-56, indicam que este protoaglomerado é muito mais concentrado que outros encontrados quando o universo tinha idades similares. Ainda, ele também tem maior concentração do que o esperado por modelos teóricos (representados por curvas sombreadas).

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Fig. 2: Comparação de SPT2349-56 com outros protoaglomerados. (a) fluxo acumulado em 870 µm vs. área do aglomerado no céu. Os pontos pretos representam SPT2349-56, e os outros representam aglomerados em diferentes distância (ler legenda, em redshift). Curvas sombreadas representam modelos de protoaglomerados em duas distâncias diferentes. (b) Massa vs. redshift de aglomerados de galáxias (ponto preto representando SPT2349-56 novamente), enquanto a curva sombreada representa o esperado de um modelo evolutivo.

Já o painel da direita na figura 2 mostra como se distribuem os aglomerado de galáxias de diferentes massas ao longo da distância (redshift). Vemos que SPT2349-56, segundo simulações de N-corpos, pode ser um protoaglomerado com massa suficiente (10^13 massas solares) para se tornar um aglomerado do tamanho de Coma (10^15 massas solares), um dos mais massivos e a apenas 100 Mpc de nós. No entanto os autores tomam o cuidado de mencionar que esta projeção é bastante incerta, visto que não sabemos bem como os halos de matéria escura crescem em massa.

A discrepância observada na Fig. 2a entre SPT2349-56 e outros protoaglomerados pode indicar que este aglomerado é especialmente massivo por questões de ambiente, com uma maior densidade de gás no universo primordial nesta região. Modelos atuais, no entanto, não conseguem prever a alta taxa de formação estelar observada, o que pode significar que SPT2349-56 está em um estágio evolutivo avançado em comparação a outros protoaglomerados. De qualquer forma, ainda não conseguimos explicar exatamente como um monstro deste tamanho se formou em tão pouco tempo.

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