Astrónomos encontram agulha cósmica “enterrada” durante duas décadas; descoberta lança luz sobre o famoso anel de Einstein

Determinados a encontrar uma agulha num “palheiro cósmico”, dois astrónomos “viajaram no tempo” através de arquivos de dados do Observatório W. M. Keck em Mauna Kea, Hawaii, e dados antigos do Observatório de raios-X Chandra da NASA para desvendar um mistério em torno de um quasar brilhante, mas muito obscurecido, que sofre efeito de lente gravitacional.

Este objeto celeste, uma galáxia ativa que emite enormes quantidades de energia devido a um buraco negro que devora material, é excitante. Encontrar um que sofre o efeito de lente gravitacional, fazendo com que pareça maior e mais brilhante, é ainda mais excitante. Embora sejam conhecidos pouco mais de 200 quasares que sofrem efeitos de lentes gravitacionais, o número de quasares obscurecidos e que sofrem efeitos de lentes gravitacionais ainda é inferior a 10. Isto porque o buraco negro ativo agita gás e poeira, encobrindo o quasar e dificultando a deteção em levantamentos óticos.

Os cientistas não somente encontraram um quasar deste tipo, como também chegaram à conclusão que o objeto é o primeiro anel de Einstein descoberto, chamado MG 1131+0456, observado em 1987 com o VLA (Very Large Array) no estado norte-americano do Novo México. Notavelmente, embora amplamente estudado, a distância ou desvio para o vermelho do quasar permanecia por descobrir.

“À medida que estudámos o objeto, ficámos surpresos por uma fonte tão famosa e brilhante nunca ter tido a sua distância medida,” disse Daniel Stern, cientista sénior do JPL da NASA e autor do estudo. “A distância é um primeiro passo necessário para todos os tipos de estudos adicionais, como por exemplo usar a lente como ferramenta para medir a história da expansão do Universo e como sonda para a matéria escura.”

Stern e o coautor Dominic Walton, do Instituto de Astronomia da Universidade de Cambridge (Reino Unido), são os primeiros a calcular a distância do quasar, que está a 10 mil milhões de anos-luz (ou um desvio para o vermelho de z=1,849).

O resultado foi publicado na edição de 1 junho da revista The Astrophysical Journal Letters.

“Todo este trabalho foi um pouco nostálgico para mim, fazendo com que me debruçasse nos artigos do início da minha carreira, quando ainda era estudante. O Muro de Berlim ainda estava em pé quando este anel de Einstein foi descoberto, e todos os dados apresentados no nosso artigo são do milénio passado,” disse Stern.

Metodologia

Na altura da sua investigação, os telescópios de todo o mundo estavam encerrados devido à pandemia de coronavírus (o Observatório Keck reabriu a 16 de maio); Stern e Walton aproveitaram o seu tempo em casa para continuar a fazer ciência de modo criativo, vasculhando os dados do WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) da NASA para procurar quasares muito obscurecidos e que sofriam efeitos de lentes gravitacionais. Embora a poeira oculte as galáxias mais ativas em levantamentos óticos, essa poeira obscurante torna as fontes muito brilhantes em levantamentos infravermelhos, como os fornecidos pelo WISE.

Embora os quasares geralmente estejam muito distantes, os astrónomos podem detetá-los através de lentes gravitacionais, um fenómeno que atua como uma lupa natural. Isto ocorre quando uma galáxia mais próxima da Terra age como lente e faz o quasar por trás dela parecer mais brilhante. O campo gravitacional da galáxia mais próxima distorce o próprio espaço, dobrando e amplificando a luz do quasar de fundo. Se o alinhamento for perfeito, isto cria um círculo de luz chamado anel de Einstein, previsto por Albert Einstein em 1936. Mais tipicamente, as lentes gravitacionais produzem várias imagens do objeto de fundo em torno do objeto de primeiro plano.

Assim que Stern e Walton redescobriram MG 1131+0456 com o WISE e se aperceberam que a distância permanecia um mistério, vasculharam meticulosamente os dados antigos do Arquivo do Observatório Keck e descobriram que o Observatório observou o quasar sete vezes entre 1997 e 2007 usando o instrumento LRIS (Low Resolution Imaging Spectrometer) do telescópio Keck I, bem como com o NIRSPEC (Near-Infrared Spectrograph) e com o ESI (Echellette Spectrograph and Imager) do telescópio Keck II.

“Conseguimos extrair a distância do conjunto de dados mais antigo do Keck, obtido em março de 1997, durante os primeiros anos do observatório,” disse Walton. “Estamos gratos pelos esforços colaborativos do Keck e da NASA, de disponibilizar publicamente mais de 25 anos de dados do Keck. O nosso artigo científico não teria sido possível sem isso.”

A equipa também analisou dados de arquivo do Observatório de raios-X Chandra da NASA obtidos no ano 2000, no primeiro ano após o lançamento da missão.

Os próximos passos

Agora com a distância conhecida de MG 1131+0456, Walton e Stern foram capazes de determinar a massa da galáxia que sofre efeito de lente gravitacional com precisão requintada e de usar os dados do Chandra para confirmar com robustez a natureza obscurecida do quasar, determinando com precisão a quantidade de gás que existe entre nós e as suas regiões centrais luminosas.

“Podemos agora descrever completamente a geometria única e fortuita deste anel de Einstein,” disse Stern. “Isto permite-nos elaborar estudos de acompanhamento, por exemplo com o Telescópio Espacial James Webb, para estudar as propriedades da matéria escura da galáxia que atua como lente.”

“O nosso próximo passo é encontrar quasares que sofrem efeito de lente gravitacional ainda mais obscurecidos do que MG 1131+0456,” disse Walton. “Encontrar estas ‘agulhas’ será ainda mais difícil, mas estão lá fora, à espera de serem descobertas. Estas joias cósmicas podem dar-nos uma compreensão mais profunda do Universo, incluindo mais informações sobre como os buracos negros supermassivos crescem e influenciam os seus arredores,” diz Walton.

// Observatório W. M. Keck (comunicado de imprensa)
// NASA (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal Letters)

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Quasar:
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VLA:
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Observatório de raios-X Chandra:
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