Objeto extremamente quente descoberto 1,4 mil milhões de anos após o Big Bang

Uma espécie de “sombra” projectada sobre o brilho ténue e residual da Grande Explosão revelou um objecto gigantesco no Universo primordial que contraria as nossas previsões sobre a forma como o cosmos deveria evoluir.

Trata-se de um aglomerado de galáxias chamado SPT2349-56. Observado apenas 1,4 mil milhões de anos depois da Grande Explosão, o gás no seu interior está muito, muito mais quente do que seria de esperar. O aquecimento gravitacional de um aglomerado de galáxias deveria ser um processo lento, que leva milhares de milhões de anos a atingir o patamar de temperaturas observado em SPT2349-56.

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

“Na verdade, no início fui céptico em relação ao sinal, porque era demasiado forte para ser real. Mas, após meses de verificação, confirmámos que este gás está pelo menos cinco vezes mais quente do que o previsto, e ainda mais quente e mais energético do que o que encontramos em muitos aglomerados actuais.”

SPT2349-56: um aglomerado de galáxias extremo no Universo jovem

O SPT2349-56 foi identificado pela primeira vez em 2010, em observações do Telescópio do Pólo Sul, na Antártida, e os primeiros indícios já apontavam para algo fora do comum. Observações de seguimento, publicadas em 2018, confirmaram que o objecto era um aglomerado com mais de 30 galáxias, a formar estrelas de forma frenética - a um ritmo 1 000 vezes superior ao da Via Láctea - e a deslocarem-se umas em direcção às outras, num trajecto que as colocava em rota de colisão.

Como este cenário extremo decorria no Universo inicial, há cerca de 12,4 mil milhões de anos, os astrónomos consideraram provável que o sistema pudesse fornecer pistas relevantes sobre a evolução das galáxias num momento crítico da história do Universo.

ALMA, radiação cósmica de fundo e o sinal de Sunyaev-Zeldovich

Com Zhou a liderar o trabalho, uma equipa internacional recorreu ao ultra-sensível Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para investigar a radiação cósmica de fundo em micro-ondas - o brilho fraco e extremamente uniforme que ainda permeia o Universo desde a época em que o cosmos arrefeceu até uma temperatura que permitiu à luz propagar-se livremente.

O objectivo era procurar uma deformação específica, conhecida como sinal de Sunyaev-Zeldovich, produzida quando electrões do gás quente existente entre as galáxias de um aglomerado interagem com os fotões da radiação cósmica de fundo. Como este fundo é tão homogéneo, estas “sombras” criam um contraste que pode ser detectado e quantificado.

Porque é que os aglomerados aquecem o gás - e porque SPT2349-56 não bate certo

Um aglomerado de galáxias é uma região do espaço onde a gravidade se intensifica à medida que as galáxias se atraem e se aproximam. Essa gravidade actua sobre o gás presente no sistema - o meio intracluster - comprimindo-o e acelerando-o; ambos os efeitos aumentam a energia do gás.

O SPT2349-56 é um caso particularmente extremo de aglomerado no Universo primordial, tanto pela dimensão como pela intensidade de formação estelar, e medições anteriores já tinham indicado a presença de uma grande quantidade de gás molecular no espaço entre as galáxias. Zhou e os seus colaboradores analisaram esse gás com maior detalhe para perceber o que poderia revelar sobre a dinâmica interna do aglomerado.

“Compreender os aglomerados de galáxias é essencial para compreender as maiores galáxias do Universo”, afirma o astrofísico Scott Chapman, da Universidade Dalhousie, anteriormente no Conselho Nacional de Investigação do Canadá.

“Estas galáxias massivas residem, na sua maioria, em aglomerados, e a sua evolução é fortemente moldada pelo ambiente muito intenso dos aglomerados à medida que se formam, incluindo o meio intracluster.”

Um sinal demasiado forte: electrões acima de 10 milhões de Kelvin

O sinal de Sunyaev-Zeldovich observado pelo ALMA não foi apenas nítido - revelou-se extraordinariamente intenso. A análise mostrou uma assinatura térmica inequívoca de electrões quentes, com temperaturas superiores a 10 milhões de Kelvin. Embora os investigadores esperassem, no máximo, uma detecção precoce de um meio intracluster morno, o resultado ultrapassou largamente o que antecipavam.

De acordo com os modelos existentes, não há forma de a gravidade, por si só, produzir temperaturas desta ordem tão cedo. Por isso, a equipa suspeita que jactos poderosos provenientes de, pelo menos, três buracos negros supermassivos em SPT2349-56 possam estar a injectar energia adicional no sistema.

“Isto diz-nos que algo no Universo primordial, provavelmente três buracos negros supermassivos recentemente descobertos no aglomerado, já estava a bombear enormes quantidades de energia para o meio envolvente e a moldar o jovem aglomerado, muito mais cedo e com muito mais intensidade do que pensávamos”, explica Chapman.

Esta conclusão, por sua vez, sugere que a nossa compreensão teórica da evolução dos aglomerados de galáxias está longe de estar completa - e que é necessário considerar todo o ecossistema do aglomerado, mesmo no Universo jovem, quando não esperaríamos que certas dinâmicas estivessem já a actuar com tal força.

“Queremos perceber como a formação estelar intensa, os buracos negros activos e esta atmosfera sobreaquecida interagem, e o que isso nos diz sobre como os aglomerados de galáxias actuais foram construídos”, diz Zhou.

A investigação foi publicada na Nature.