Objeto extremamente quente é descoberto 1,4 bilhões de anos após o Big Bang

Um “sombra” projetada sobre o brilho fraco e remanescente do Big Bang revelou um objeto gigantesco no Universo primordial que contraria o que os nossos modelos preveem sobre a evolução cósmica.

Trata-se de um aglomerado de galáxias chamado SPT2349-56. Observado quando o Universo tinha apenas 1,4 bilhão de anos, o gás no seu interior está muito mais quente do que deveria estar nessa fase. Em cenários tradicionais, o aquecimento gravitacional do gás de um aglomerado ocorre de forma gradual, ao longo de bilhões de anos, até alcançar temperaturas como as medidas em SPT2349-56.

“Não esperávamos encontrar uma atmosfera de aglomerado tão quente tão cedo na história do cosmos”, afirma o doutorando em astrofísica Dazhi Zhou, da Universidade da Colúmbia Britânica, no Canadá.

“Na verdade, no começo eu desconfiei do sinal, porque parecia forte demais para ser real. Mas, após meses de verificação, confirmámos que esse gás está pelo menos cinco vezes mais quente do que o previsto - e ainda mais quente e energético do que o que vemos em muitos aglomerados atuais.”

SPT2349-56: um aglomerado de galáxias no Universo jovem fora do padrão

O SPT2349-56 foi identificado pela primeira vez em 2010, em dados do South Pole Telescope, na Antártida, e desde o início havia indícios de que se tratava de algo incomum. Observações posteriores, divulgadas em 2018, confirmaram que o objeto é um aglomerado com mais de 30 galáxias, num período de atividade extrema: elas formavam estrelas a um ritmo cerca de 1.000 vezes maior do que o da Via Láctea e aproximavam-se rapidamente umas das outras, numa trajetória de provável colisão.

Como toda essa “tempestade” acontecia no Universo muito antigo - há cerca de 12,4 bilhões de anos -, astrónomos passaram a vê-lo como uma oportunidade rara de obter pistas sobre a evolução das galáxias num momento decisivo da história do Universo.

ALMA e o fundo cósmico de micro-ondas (CMB): a “sombra” que denuncia gás quente

Liderada por Zhou, uma equipa internacional recorreu ao Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), extremamente sensível, para investigar o fundo cósmico de micro-ondas (CMB) - o brilho ténue e quase uniforme que ainda permeia o cosmos, remanescente da época em que o Universo arrefeceu o suficiente para a luz viajar livremente.

O objetivo era encontrar uma distorção específica, conhecida como sinal Sunyaev-Zeldovich. Ela surge quando elétrons presentes em gás quente entre as galáxias de um aglomerado interagem com os fótons do CMB. Como o CMB é muito homogéneo, essa interação cria uma espécie de “sombra” (um contraste mensurável) que pode ser detetada e quantificada.

Como o meio intraclustre deveria aquecer - e por que isso é importante

Um aglomerado de galáxias é uma região do espaço onde a gravidade se torna particularmente intensa, porque as galáxias se atraem e se aproximam. Essa gravidade atua sobre o gás difuso do sistema - o meio intraclustre - comprimindo-o e acelerando-o. Ambos os processos elevam a energia do gás, e, com isso, a sua temperatura.

O SPT2349-56 já era considerado um caso extremo no Universo jovem, tanto pelo tamanho como pela intensidade de formação estelar. Mediçōes anteriores também tinham apontado a presença de uma grande quantidade de gás molecular entre as galáxias. Zhou e colegas decidiram examinar esse material com mais detalhe para entender o que ele poderia revelar sobre a dinâmica interna do aglomerado.

“Entender os aglomerados de galáxias é essencial para compreender as maiores galáxias do Universo”, diz o astrofísico Scott Chapman, da Universidade Dalhousie, anteriormente do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá.

“Essas galáxias massivas, em geral, vivem em aglomerados, e a sua evolução é fortemente moldada pelo ambiente intenso durante a formação - incluindo o meio intraclustre.”

Um sinal Sunyaev-Zeldovich forte demais: temperaturas acima de 10 milhões de kelvin

O sinal Sunyaev-Zeldovich observado pelo ALMA não foi apenas nítido - foi extraordinariamente intenso. A análise apontou uma assinatura térmica inequívoca de elétrons muito quentes, com temperaturas superiores a 10 milhões de kelvin (aproximadamente 9,7 milhões de °C). Embora os investigadores esperassem, no máximo, uma deteção inicial de um meio intraclustre morno, o que encontraram excedeu, e muito, as previsões.

Pelos modelos atuais, a gravidade por si só não conseguiria produzir temperaturas tão altas nesse estágio tão precoce do Universo. A hipótese mais provável é que jatos poderosos associados a pelo menos três buracos negros supermassivos em SPT2349-56 estejam a injetar energia adicional no gás, elevando dramaticamente o aquecimento.

“Isso indica que algo no Universo primordial - provavelmente três buracos negros supermassivos recentemente identificados no aglomerado - já estava a despejar enormes quantidades de energia no ambiente e a moldar o aglomerado jovem muito mais cedo e com muito mais intensidade do que imaginávamos”, explica Chapman.

O que isso muda na nossa teoria sobre a evolução de aglomerados

Em consequência, o resultado sugere que a nossa compreensão teórica da evolução de aglomerados de galáxias está longe de ser completa. Em vez de considerar apenas a gravidade e o crescimento gradual, torna-se necessário incluir o “ecossistema” inteiro do aglomerado - mesmo no Universo inicial, quando certas interações poderiam, à primeira vista, parecer improváveis.

Além disso, medições como esta ajudam a separar o que é aquecimento “normal” do meio intraclustre do que é aquecimento impulsionado por núcleos ativos de galáxias (alimentados por buracos negros). Essa distinção é crucial para reconstruir como os aglomerados atuais atingiram as suas condições físicas e como os seus ambientes afetaram o destino das galáxias que neles vivem.

No futuro, observações complementares em diferentes comprimentos de onda poderão esclarecer onde, exatamente, a energia está a ser depositada: se em choques de gás durante as aproximações e colisões, se em jatos relativísticos dos buracos negros, ou numa combinação de ambos. Isso também deve ajudar a ligar, de forma mais direta, a formação estelar intensa, a atividade dos buracos negros supermassivos e o estado “superaquecido” do meio intraclustre.

“Queremos entender como a formação estelar intensa, os buracos negros ativos e essa atmosfera sobreaquecida interagem - e o que isso nos diz sobre como os aglomerados de galáxias atuais foram construídos”, afirma Zhou.

A pesquisa foi publicada na revista Nature.