Colaboração “Frontier Fiels” revela dados das galáxias primordiais usando lentes gravitacionais

Esta imagem do aglomerado de galáxias Abell 2744, também conhecido pelo nome popular de “Aglomerado de Pandora”, foi capturada pelo Telescópio Espacial Spitzer de infravermelho. O aglomerado também está sendo estudado pelo Telescópio Espacial Hubble e pelo Observatório de raios-X Chandra na colaboração “Frontier Fields”. Créditos: NASA/JPL-Caltech

Na caçada permanente pelas galáxias primordiais do Universo, o Telescópio Espacial Spitzer da NASA concluiu suas observações para o programa “Frontier Fields”. Este projeto ambicioso combinou o poder de todos os três grandes observatórios espaciais da NASA (Spitzer, Hubble e Chandra) para voltar no espaço e no tempo o máximo que a tecnologia atual permite.

Mesmo com os melhores telescópios da atualidade ainda é extremamente difícil de se capturar luz e radiação suficiente oriunda das galáxias primordiais, cujo brilho leva mais de 13 bilhões de anos para chegar até nós, com o intuito de aprender o máximo possível sobre esses objetos. No entanto, os cientistas dispõem de uma preciosa ferramenta de proporções cósmicas para ajudar nos seus estudos. Trata-se da gravidade exercida por gigantescos aglomerados de galáxias no plano de frente que pode eventualmente curvar e ampliar a luz dos objetos de fundo, bem mais distantes, gerando um efeito que cria lentes de zoom cósmicas, ou seja, as lentes gravitacionais.

As observações do programa “Frontier Fields” usaram as mais fortes lentes gravitacionais fornecidas pelos seis dos mais massivos aglomerados de galáxias conhecidos. Essas lentes podem ampliar pequenas galáxias de fundo até um fator de cem, no máximo. Com os dados do Spitzer (infravermelho), juntamente com os do Chandra (raios-X) e Hubble (visível e infravermelho próximo), os astrônomos vão aprender detalhes sem precedentes sobre as primeiras galáxias do Universo.

Peter Capak, membro do Centro de Ciência Spitzer da NASA/JPL em Caltech, Pasadena, Califórnia, líder do projeto “Frontier Fields” do Spitzer declarou:
O Spitzer terminou as observações do programa “Frontier Fields” e estamos muito animados para divulgar todos seus dados à comunidade astronômica.
Dois artigos publicados na revista Astronomy & Astrophysics, “I. Multiwavelength photometry of Abell-2744 and MACS-J0416“e ”II. Photometric redshifts and rest frame properties in Abell-2744 and MACS-J0416“ relataram os dados do catálogo completo para dois dos seis aglomerados de galáxias estudados pelo programa “Frontier Fields”: Abell 2744 (apelidado de “Aglomerado de Pandora”) e MACS J0416, ambos localizados a aproximadamente 4 bilhões de anos-luz. Os outros aglomerados de galáxias selecionados para o “Frontier Fields” são RXC J2248, MACS J1149, MACS J0717 e Abell 370.

Os astrônomos ávidos vão pesquisar os catálogos “Frontier Fields” em busca dos mais tênues e pequenos objetos ampliados, muitos dos quais devem provar ser as galáxias mais distantes já vislumbradas. A detentora atual do recorde, a galáxia GN-z11, descoberta em março de 2016 por investigadores do Hubble, está situada a uma incrível distância de 13,4 bilhões de anos-luz, ou seja, em uma época de apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang (z11 quer dizer ‘desvio para o vermelho’ z=11). A descoberta desta galáxia não necessitou da ajuda de lentes gravitacionais porque é uma exceção, ou seja, um objeto extremamente brilhante para a sua época. Com a ajuda da ampliação fornecida pelas lentes gravitacionais, o projeto “Frontier Fields” vai permitir com que os investigadores estudem objetos típicos a estas distâncias surpreendentes, pintando um quadro mais preciso e completo das primeiras galáxias primordiais do Universo.

Os astrônomos desejam entender como é que estas galáxias primordiais surgiram, como é que a sua massa constituinte se desenvolveu formando estrelas e como essas estrelas enriqueceram as galáxias com os elementos químicos fundidos nas suas fornalhas termonucleares. Para aprender mais sobre a origem e evolução das primeiras galáxias, que são muito tênues, os astrônomos precisam recolher o máximo de luz possível através de uma vasta gama de frequências. Com luz suficiente dessas galáxias, os astrônomos podem realizar a análise espectroscópica, obtendo detalhes sobre as composições e temperaturas das estrelas e seus ambientes através do exame das assinaturas dos elementos químicos impressas na radiação capturada pelos grandes observatórios.
Peter Capak explicou:
Com a abordagem do “Frontier Fields”, as galáxias mais remotas e tênues tornam-se brilhantes o suficiente para começarmos a dizer algumas coisas específicas sobre elas, como por exemplo as suas histórias de formação estelar.
Porque que o Universo tem se expandido ao longo da sua história de 13,8 bilhões de anos, a luz de objetos extremamente distantes foi esticada, apresentando um desvio para o vermelho, na sua longa viagem até à Terra. Dessa forma, a luz visível emitida pelas estrelas nas galáxias de fundo e ampliada pelas lentes gravitacionais sofreu um profundo desvio para o infravermelho. O Spitzer pode usar esta radiação infravermelha para medir os tamanhos da população de estrelas de uma galáxia, o que por sua vez nos fornece pistas sobre a massa da galáxia. A combinação da luz vista pelo Spitzer e pelo Hubble permite com que os astrônomos identifiquem as galáxias nas fronteiras do Universo Observável.

Em paralelo, o Hubble verifica os aglomerados de galáxias do programa no espectro da luz visível e no infravermelho próximo, cuja radiação foi aquela desviada do ultravioleta originalmente emanado pelas distantes galáxias, durante a sua viagem para a Terra. O Chandra, por sua vez, observa os aglomerados de galáxias no primeiro plano, examinando os raios-X altamente energéticos emitidos por buracos negros e gás quente ambiente. Juntamente com o Spitzer, os telescópios espaciais determinam as massas dos aglomerados, incluindo o seu conteúdo invisível, mas substancial, de matéria escura.

A estimativa precisa da massa total dos aglomerados é um passo fundamental na quantificação da ampliação e distorção que produzem sobre as galáxias de fundo que nos interessam. Os resultados recentes em múltiplos comprimentos de onda, concernentes aos aglomerados MACS J0416 e MACS J0717, foram publicados em outubro de 2015 e fevereiro de 2016. Estes resultados também aproveitaram as observações nas frequências de rádio, obtidas com o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array), que inspecionou as regiões de formação estelar que ficam escondidas atrás do gás e da poeira.

Lisa Storrie-Lombardi do Centro de Ciência Spitzer, também pertencente ao programa “Frontier Fields”, declarou:
O “Frontier Fields” tem sido um projeto totalmente liderado pela comunidade científica, ao contrário dos outros inúmeros projetos desta magnitude. As pessoas se juntaram e realmente abraçaram o “Frontier Fields”.
Além dos seis aglomerados de galáxias selecionados pelo programa “Frontier Fields”, o Spitzer fez observações de acompanhamento em outros campos ligeiramente menos profundos que o Hubble já havia vislumbrado, expandindo o número total de regiões cósmicas onde já foram recolhidas observações longínquas. Estes campos adicionais servirão ainda como áreas ricas de investigação por parte do telescópio espacial James Webb e demais futuros instrumentos astronômicos.