Estrutura desconhecida em galáxia revelada por imagens de alto contraste

Como resultado da obtenção de um elevado alcance dinâmico de imagem, uma equipa de astrónomos no Japão descobriu pela primeira vez uma fraca emissão de rádio cobrindo uma galáxia gigante com um buraco negro energético no seu centro.

A emissão de rádio é libertada a partir do gás, criada diretamente pelo buraco negro central. A equipa espera compreender como um buraco negro interage com a sua galáxia hospedeira, aplicando a mesma técnica a outros quasares.

3C 273, a 2,4 mil milhões de anos-luz da Terra, é um quasar. Um quasar é o núcleo de uma galáxia que se pensa abrigar um enorme buraco negro no seu centro, que engole o seu material circundante, emitindo uma enorme radiação.

Ao contrário do que o seu nome pode indicar, 3C 273 é o primeiro quasar jamais descoberto, o mais brilhante e o mais bem estudado. É uma das fontes mais frequentemente observadas com telescópios porque pode ser usada como padrão de posição no céu: por outras palavras, 3C 273 é um farol de rádio.

Quando vemos o farol de um carro, o brilho intenso faz com que seja difícil ver os arredores mais escuros. O mesmo acontece com os telescópios quando se observam objetos brilhantes. O alcance dinâmico é o contraste entre os tons mais brilhantes e mais escuros de uma imagem.

É necessária uma gama dinâmica elevada para revelar tanto as partes brilhantes como as escuras numa única exposição de um telescópio. O ALMA pode atingir regularmente gamas dinâmicas de imagem até cerca de 100, mas as câmaras digitais disponíveis comercialmente têm normalmente uma gama dinâmica de vários milhares. Os radiotelescópios não são muito bons a ver objetos com contraste significativo.

3C 273 é conhecido há décadas como o quasar mais famoso, mas o conhecimento tem estado concentrado nos seus núcleos centrais brilhantes, de onde provém a maioria das ondas de rádio.

Contudo, sabe-se muito menos sobre a sua própria galáxia hospedeira, porque a combinação da galáxia fraca e difusa com o núcleo de 3C 273 exigia intervalos dinâmicos tão elevados para detetar.

A equipa de investigação usou uma técnica chamada autocalibração para reduzir a fuga de ondas de rádio de 3C 273 para a galáxia, que utilizou o próprio 3C 273 para corrigir os efeitos das flutuações atmosféricas da Terra sobre o sistema telescópico. Atingiram um alcance dinâmico de 85.000, um recorde ALMA para objetos extragalácticos.

Como resultado de atingir um tão elevado alcance dinâmico de imagem, a equipa descobriu a fraca emissão de rádio que se estende por dezenas de milhares de anos-luz sobre a galáxia hospedeira de 3C 273.

A emissão de rádio em torno de quasares sugere tipicamente emissão de sincrotrão, que provém de eventos altamente energéticos como explosões de formação estelar ou jatos ultrarrápidos emanados do núcleo central. Existe também um jato sincrotrão em 3C 273, visto na parte inferior direita das imagens.

Uma característica essencial da emissão de sincrotrão é que o seu brilho muda com a frequência, mas a fraca emissão de rádio descoberta pela equipa tinha um brilho constante, independentemente da frequência de rádio.

Depois de considerar mecanismos alternativos, a equipa descobriu que esta emissão de rádio fraca e prolongada provinha do hidrogénio gasoso na galáxia energizada diretamente pelo núcleo de 3C 273.

Esta é a primeira vez que as ondas de rádio de tal mecanismo se estendem por dezenas de milhares de anos-luz na galáxia hospedeira de um quasar. Os astrónomos tinham negligenciado este fenómeno durante décadas, neste icónico farol cósmico.

Então porque é que esta descoberta é tão importante? Há muito que se tenta saber se a energia de um núcleo quasar é suficientemente forte para privar a capacidade da galáxia de formar estrelas. A ténue emissão de rádio pode ajudar a resolver este mistério na astronomia galáctica.

O gás hidrogénio é um ingrediente essencial na formação estelar, mas se uma luz tão intensa brilhar sobre ele e o ionizar, então nenhuma estrela consegue nascer. Para estudar se este processo está a acontecer em torno de quasares, os astrónomos utilizaram a luz ótica emitida pelo gás ionizado.

O problema de trabalhar com a luz ótica é que a poeira cósmica absorve a luz ao longo do caminho até ao telescópio, pelo que é difícil saber quanta luz o gás emite.

Além disso, o mecanismo responsável por emitir luz ótica é complexo, forçando os astrónomos a fazer muitas suposições. As ondas de rádio descobertas neste estudo provêm do mesmo gás devido a processos simples e não são absorvidas pela poeira.

A utilização de ondas de rádio torna a medição do gás ionizado criado pelo núcleo de 3C 273 muito mais fácil. Neste estudo, os astrónomos descobriram que pelo menos 7% da luz de 3C 273 foi absorvida pelo gás da galáxia hospedeira, criando um gás ionizado equivalente a 10-100 mil milhões de vezes a massa do Sol.

Contudo, 3C 273 tinha muito gás imediatamente antes da formação das estrelas, pelo que, como um todo, não parece que a formação estelar tenha sido fortemente reprimida pelo núcleo.

“Esta descoberta proporciona um novo caminho para o estudo de problemas anteriormente abordados utilizando observações no visível,” diz Shinya Komugi, professor associado na Universidade de Kogakuin e autor principal do estudo publicado na revista The Astrophysical Journal.

“Ao aplicar a mesma técnica a outros quasares, esperamos compreender como uma galáxia evolui através da sua interação com o núcleo central“, conclui.