O caso do núcleo ativo sumido

Título: Hyperluminous Starburst gives up its secrets

Autores: R. J. Ivison, M. J. Page, M. Cirasuolo, C. M. Harrison, V. Mainieri, V. Arumugam e U. Dudzeviciute

Instituição do primeiro autor: European Southern Observatory, Garching, Alemanha

Status: publicado no MNRAS, acesso público

Levantamentos de dados no céu infravermelho levaram à descoberta de milhares de galáxias obscurecidas por poeira e com alta formação estelar – geralmente chamadas de galáxias submilimétricas (submillimeter galaxies, SMGs em inglês) devido à emissão de ondas submilimétricas que caracterizam sua natureza fria e empoeirada. Infelizmente, essa emissão de comprimento de onda longo apresenta um desafio observacional: a resolução de um telescópio tem um limite físico, diretamente proporcional ao comprimento de onda da luz dividido pelo diâmetro do telescópio. Para comprimentos de onda mais longos, como o submilímetro, um telescópio deve ser muito maior que um telescópio óptico para obter uma resolução comparável. Como tal, os telescópios submilimétricos são limitados pelos tamanhos de espelhos únicos, e por décadas a astronomia infravermelha ficou presa a imagens de baixa resolução, das quais cresceu uma ciência de “bolhas difusas” (veja a Figura 1).

Figura 1: as “bolhas difusas” que compõem HATLAS J084933.4+021443.
Acima: Imagem do HST com contornos da emissão observada pelo ALMA sobrepostos em verde. Cinco fontes distintas são visíveis com o ALMA.
Abaixo: A imagem colorida é construída usando imagens de infravermelho e os contornos mostram uma linha de transição atômica com monóxido de carbono, que rastreia o gás frio nessas galáxias. Figura 4 no artigo.

Desde o advento do telescópio ALMA, o Atacama Large Millimeter Array, essas fontes de infravermelho brilhante têm sido analisadas a uma resolução muito mais alta possibilitada pelo poder da interferometria. Após a inspeção em alta resolução, muitas dessas fontes muito brilhantes acabam sendo a luz combinada de várias galáxias, fundidas em uma observação de telescópio de baixa resolução. Este artigo investiga uma dessas fontes e descobre algumas coisas muito curiosas sobre a natureza dessa “bolha difusa”.

Esta fonte submilimétrica (chamada HATLAS J084933.4+021443) foi identificada como uma galáxia empoeirada em um levantamento do céu com o telescópio espacial Herschel, mas quando observada com o ALMA se divide em cinco galáxias rotuladas como W, C, M, T e E. Uma dessas – W – é tão brilhante no submilímetro, que se classifica como uma rara galáxia hiperluminosa infravermelha (HyLIRG), implicando uma taxa de formação de estrelas de muitos milhares de estrelas por ano, ordens de magnitude superiores de uma galáxia comum. As HyLIRGs oferecem a chance de examinar os mecanismos físicos para a formação de estrelas em seu ponto mais extremo: o que faz com que essas galáxias formem estrelas a esse ritmo? Eles representam uma fase importante da formação de estrelas no universo? E como a formação de estrelas nas galáxias se relaciona com o crescimento dos buracos negros supermassivos que podem estar à espreita em seus centros, mascarados por enormes reservatórios de poeira?

Os autores deste artigo reuniram observações em todo o espectro para investigar a física desse grupo de galáxias – e, em particular, a galáxia W, a mais brilhante do grupo. Da espectroscopia óptica e de raios-X, eles determinam que a galáxia W de fato hospeda um núcleo ativo (active galactic nuclei, AGN em inglês): ou seja, um buraco negro supermassivo que está se alimentando ativamente. Ainda existe alguma especulação sobre se todos os HyLIRGs hospedam AGN, pois é notoriamente desafiador observar um AGN incorporado em uma galáxia espessa em poeira, obscurecendo as possíveis assinaturas de AGN dos núcleos. A galáxia W, surpreendentemente, parece ser relativamente não-obscurecida.

Mas o aspecto mais intrigante das observações da galáxia W se revela na distribuição de energia espectral (spectral energy distribution, SED em inglês), do ultravioleta ao rádio (veja a figura 2): a galáxia W se parece com uma galáxia comum formadora de estrelas. Em um SMG, mesmo que grande parte da radiação do AGN seja absorvida pela poeira, essa poeira irradia novamente a energia no infravermelho médio, criando uma pista distinta quanto ao poderoso motor escondido no interior. Mas a galáxia W não tem essa assinatura. Assim, surge um conflito: esta galáxia deve hospedar um AGN poderoso devido à sua alta luminosidade em raios-X, que não pode ser explicada de nenhuma outra maneira, mas não mostra absolutamente nenhuma indicação de fazê-lo no restante do espectro.

Figura 2: A SED da galáxia W, mostrada em azul escuro. A linha tracejada mostra a SED média das galáxias submilimétricas identificadas com o ALMA, e a região sombreada cinza mostra a dispersão nessas galáxias. Os pontos azul claro e cinza mostram as SEDs de duas galáxias submilimétricas conhecidas por hospedar AGN. É claro que, apesar de hospedar um AGN, a galáxia W parece uma galáxia normal, livre de AGN, formando estrelas na maior parte de seu espectro e diverge significativamente do espectro do tipo AGN no lado esquerdo do gráfico. Figura 5 no artigo.

Os autores sugerem três cenários possíveis que podem dar origem a essa combinação confusa de observações. Primeiro, eles sugerem que estamos vendo o AGN central da galáxia através de um buraco no exterior empoeirado. Como o AGN é tão incrivelmente poderoso, é plausível que ele possa abrir rapidamente uma cavidade – e com o alinhamento correto, a região central ficará exposta.

Em segundo lugar, eles sugerem que pode haver dois AGN aqui: um, escondido nas profundezas da galáxia empoeirada, e um segundo AGN exposto associado a uma segunda galáxia, talvez remanescente de um evento de fusão. Essa também é uma boa solução, pois uma fusão recente poderia ter desencadeado uma alta na formação estelar, e estaríamos olhando duas galáxias em dois estágios evolutivos distintos: a de um AGN jovem e empoeirado, com uma alta taxa de formação de estrelas, e um vizinho evoluído com um AGN não obscurecido.

O terceiro e talvez o mais incomum cenário é o de um AGN ejetado. Dada a combinação certa de proporções de massa e rotação de buracos negros, é possível que uma fusão de galáxias resulte em que um buraco negro supermassivo seja lançado para fora da galáxia em alta velocidade. Se for esse o caso, o AGN pode continuar a brilhar por dezenas de milhões de anos. Nesse cenário, a galáxia W continua a formar estrelas, sem a presença de um AGN que possa regular sua formação estelar, dando origem à taxa de formação estelar incomumente alta e à luminosidade infravermelha que a classifica como HyLIRG. Ainda não sabemos bem o papel de AGNs na regulação da formação estelar, mas isso pode ser uma exceção rara na sequência da evolução da galáxia.

Os autores concluem que, embora um AGN esteja certamente presente no sistema, há muito mais na galáxia W do que aparenta, e mais investigações – como observação mais profunda por raios X – são necessárias para fazer reivindicações mais conclusivas sobre sua natureza. No entanto, essas observações aumentam o consenso crescente de que os HyLIRGs em geral hospedam AGN e que a interação entre a atividade AGN e a formação de estrelas ainda é um tópico muito relevante em evolução de galáxias.


Adaptado de Extreme star-forming galaxy reveals all…!?, escrito por Joanna Ramasawmy.

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