Os astrofísicos agora têm os dados e modelos para descobrir impressões sutis do passado de nossa galáxia.

No Monumento Nacional dos Dinossauros, no Colorado, o céu noturno resplandece com estrelas da Via Láctea. Graças aos dados dos telescópios mais recentes, os astrônomos estão aprendendo cada vez mais sobre a estrutura e a história profunda de nossa galáxia. crédito: NPS / Dan Duriscoe

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No céu noturno, a faixa de luz da Via Láctea faz nossa galáxia parecer uma faixa cheia de estrelas e nuvens de gás. Mas hoje, os cientistas conhecem sua forma e estrutura em detalhes: os braços espirais envolvendo o centro da galáxia, sua protuberância central repleta de estrelas e um buraco negro gigantesco, e seu halo mais fraco e leve de estrelas mais distantes, como se nossa galáxia estivesse em um casulo dentro de uma bola de algodão estelar. Eles também sabem que uma nuvem ainda mais difusa de matéria escura se estende ainda mais longe, revelada pelos movimentos das estrelas.

Como a Via Láctea ficou assim?

Há apenas uma década, os cientistas conheciam os movimentos e a distância de apenas um pequeno número de estrelas em nossa vizinhança galáctica e, portanto, tinham apenas uma imagem parcial da estrutura em evolução da Via Láctea. Mas os telescópios mais recentes, incluindo o Gaia da Agência Espacial Europeia, lançado em 2013, abriram dramaticamente a nossa visão da maior parte da galáxia. Seus dados revelam aglomerados distantes e fluxos de estrelas que, como fósseis, oferecem dicas sobre a complexa história da galáxia.

Amina Helmi, do Kapteyn Astronomical Institute em Groningen, Holanda, é uma importante arqueóloga galáctica que estuda esses vestígios de eventos passados, incluindo o mais importante: um impacto maciço em câmera lenta com outra galáxia que ocorreu há cerca de 10 bilhões de anos, na juventude da Via Láctea.

Escrevendo na Revisão Anual de Astronomia e Astrofísica, Helmi argumenta que o disco de nossa galáxia, halo e riachos finos de estrelas trazem evidências dessa colisão galáctica e de outros eventos anteriores. No entanto, apesar desse tumulto passado, o passado da Via Láctea é relativamente pacífico, Helmi observa, ela foi montada principalmente pelo nascimento de novas estrelas a partir do resfriamento do gás e de estrelas mais antigas, em vez de arrastar outras galáxias para sua boca.

Mas mesmo essa história relativamente tranquila deixa muitos vestígios para Helmi e seus colegas examinarem, incluindo pistas na composição química das estrelas, uma vez que cada geração de estrelas tem novas assinaturas químicas que se inclinam para elementos mais pesados do que as estrelas que vieram antes delas.

Helmi falou com a Knowable Magazine de sua pesquisa sobre a história única da Via Láctea. Esta conversa foi editada em termos de duração e clareza.

O que “arqueologia galáctica” significa para você?

O que tentamos fazer com a arqueologia galáctica é tentar reconstruir a história, a sequência de eventos que levou à formação da Via Láctea. Na arqueologia, você usa os restos, ou as sobras, ou os artefatos, de diferentes civilizações ou eventos. Nesse caso, as sobras são estrelas, então usamos estrelas para tentar descobrir como a Via Láctea foi construída. As estrelas lembram de onde vieram, têm memória de suas origens.

Como as estrelas da nossa galáxia nos contam sobre o passado da Via Láctea?

A forma como se movem, a idade e a composição química contam-nos onde nasceram. Se você encontrar agrupamentos de estrelas com composições químicas distintas, por exemplo, com diferentes quantidades relativas de oxigênio, magnésio e ferro, isso pode dizer que elas vieram de ambientes diferentes, já que estrelas nascidas na mesma nuvem tendem a ter as mesmas impressões digitais químicas. Da mesma forma, se você encontrar grupos de estrelas movendo-se juntas no espaço, isso indica que elas têm uma trajetória semelhante, portanto, vieram do mesmo lugar. Você pode usar isso para reconstruir de onde nasceram.

Como você e seus colegas descobriram que a Via Láctea teve um impacto enorme com outra galáxia quando era jovem? Você pode explicar como essa evidência surgiu?

Primeiro, descobrimos que, perto do sol, cerca de metade das estrelas no que chamamos de halo, que hospeda estrelas muito antigas na Via Láctea, estavam girando na direção oposta à grande maioria das estrelas na Via Láctea, a outra metade pertence a um componente semelhante a um disco, muito inflado. Então isso era suspeito. Isso pode significar que o halo foi formado por uma fusão com outra galáxia. Mas não foram evidências suficientes, porque talvez existam outras maneiras de produzir esses tipos de estrelas.

Em seguida, examinamos as idades e a química dessas estrelas do halo em contra-rotação e descobrimos que elas estavam seguindo um caminho diferente do da vasta maioria das estrelas da Via Láctea. A composição química dessas estrelas do halo diz que elas nasceram em um sistema diferente e menor.

A Via Láctea e seus componentes, vistos de lado, com os braços espirais estendidos na faixa de luz que se estende no meio. São mostrados a protuberância central, que tem a concentração mais densa de estrelas e um buraco negro supermassivo em seu meio; o disco fino, uma coleção de estrelas que se estende desde a protuberância; e o disco espesso, um campo menos denso de estrelas que fica além do disco fino. Os fios escuros são nuvens de gás e poeira. Mais adiante está o halo estelar - um campo ainda mais difuso de estrelas - e, além dele, o halo escuro, composto de matéria escura invisível. Também são mostradas as Grandes e Pequenas Nuvens de Magalhães, duas galáxias anãs que irão eventualmente colidir com a Via Láctea.

Houve algo surpreendente sobre aquele impacto de 10 bilhões de anos com uma galáxia menor, que você apelidou de Gaia-Enceladus?

As previsões de modelos do universo em expansão, com base no que sabemos sobre gravidade e matéria escura, dizem que normalmente entre duas e quatro fusões diferentes com objetos relativamente massivos seriam esperados, além de muitos menores, para terminar com a Via Láctea – nossa galáxia hoje. Então, para nós, foi surpreendente descobrir que o halo é dominado por apenas um objeto.

Descobrimos que esse evento perturbou tanto a Via Láctea que muitas das estrelas presentes na época acabaram no disco espesso inflado ou quente. Posteriormente, colegas meus mostraram que o disco espesso, que contém cerca de um quinto das estrelas da galáxia, provavelmente também se formou no evento. Isso porque as galáxias do passado provavelmente eram ricas em gás, então quando você tinha uma fusão massiva como essa, isso juntava as nuvens de gás, formando regiões de alta densidade que desencadearam uma grande quantidade de formação de estrelas. E vemos que a formação de estrelas atingiu o pico ao mesmo tempo que a fusão, aumentando substancialmente o disco da Via Láctea.

Portanto, este evento foi um marco importante na história galáctica.

Renderização artística de uma simulação que mostra a colisão entre a jovem Via Láctea e outra galáxia há cerca de 10 bilhões de anos - um evento reconstruído por Amina Helmi e seus colegas. As setas amarelas indicam as posições e movimentos das estrelas da galáxia que se aproxima. Credito: ESA (IMPRESSÃO E COMPOSIÇÃO DO ARTISTA); KOPPELMAN, VILLALOBOS E HELMI (SIMULAÇÃO); NASA / ESA / HUBBLE (GALAXY IMAGE

Como a história da Via Láctea se compara com a de seus pares?

É difícil descobrir essas coisas para outras galáxias mais distantes, porque não temos muitas informações detalhadas sobre elas e suas estrelas. No entanto, há cada vez mais estudos buscando fluxos e subestruturas em outras galáxias, e estamos aprendendo sobre a importância do processo de fusão em geral. E há estudos de quão comuns são os pares de galáxias interagindo, que identificam objetos que estão atualmente ou prestes a se fundir. Modelos teóricos do crescimento de galáxias no universo em expansão também nos orientam sobre onde procurar, ou como identificar, pistas da história de fusão de uma galáxia.

Alguns astrônomos afirmam que a Via Láctea parece estar quiescente em comparação com outras galáxias, uma vez que os modelos tendem a prever mais fusões, em média, mas acredito que uma avaliação mais detalhada seja necessária para estabelecer isso com firmeza.

Principalmente porque reconstruímos a história até 10 bilhões de anos atrás, e não sabemos o que aconteceu antes disso. Precisamos de mais dados de muitas outras estrelas mais fracas, particularmente suas composições químicas, que são conhecidas por um número muito pequeno de estrelas no halo na Via Láctea para descobrir isso.

Que papel a matéria escura desempenhou em sua pesquisa sobre a história da Via Láctea?

Acho que você sempre deve levar em conta que existe matéria escura ao redor dessas galáxias, inclusive ao redor da Via Láctea. Se houver uma fusão, a matéria escura fará com que a fusão aconteça em uma escala de tempo mais rápida, porque há muito mais massa na matéria escura do que apenas nas estrelas.

No momento, ainda não usamos nenhuma das informações que coletamos recentemente sobre a antiga história da fusão da Via Láctea para tentar estimar quanta matéria escura existe dentro e ao redor dela ou como ela é distribuída, mas iremos no futuro próximo. Por exemplo, se você está convencido de que certas estrelas vieram do mesmo objeto e estão localizadas em diferentes regiões da galáxia, isso pode ser usado para calcular a atração gravitacional da Via Láctea e a distribuição de matéria escura nela.

O que você aprendeu com o telescópio espacial Gaia que não era conhecido antes?

Medir os movimentos das estrelas no céu é extremamente desafiador. Antes do Gaia, tínhamos as medições de cerca de 2 milhões de estrelas próximas, de uma missão chamada Hipparcos nos anos 90. Agora são 2 bilhões. Depois, há o volume: o volume de espaço em que podemos medir os movimentos é um fator 100 de raio maior agora. E é um fator de 1.000 mais preciso. É uma vasta quantidade de dados de altíssima qualidade.

Foi completamente transformador. Esta pesquisa não teria sido possível sem o Gaia. Mudou a maneira como entendemos a Via Láctea. Por exemplo, também percebemos que não podemos considerar a Via Láctea como um sistema isolado. As pessoas costumavam pensar nas galáxias como “universos-ilhas”, separadas do ambiente ao seu redor. Essa é uma mudança importante na maneira como abordamos o problema de determinar a distribuição de massa pela galáxia. No passado, costumava-se supor que a galáxia estava em equilíbrio e não mudava muito. Agora temos os dados que nos mostram que isso é uma simplificação exagerada, uma vez que os movimentos das estrelas perto do sol estão revelando as marcas da atração das galáxias vizinhas, que estão sendo atraídas pela Via Láctea.

Uma representação artística da espaçonave Gaia da Agência Espacial Europeia, que está mapeando as posições, distâncias e movimentos de mais de um bilhão de estrelas da Via Láctea. Crédito: ESA / ATG MEDIALAB; ANTECEDENTES: ESO / S. BRUNIER

Quais são os tipos de ferramentas que você espera no horizonte, incluindo os próximos telescópios e novas simulações?

Definitivamente precisamos de química, uma vez que as quantidades relativas de diferentes elementos químicos nas estrelas nos dizem de onde elas são e também ajudam a avaliar sua idade. Existem vários levantamentos planejados que em breve verão a luz que medirá a abundância química de centenas de milhares de estrelas, principalmente no halo da Via Láctea. Estes são espectrógrafos multi-objeto que medem a luz de muitos objetos ao mesmo tempo em muitos comprimentos de onda, incluindo em intervalos que os átomos-chave de vários elementos químicos emitem.

Por exemplo, há um em La Palma nas Ilhas Canárias, chamado WEAVE, que irá explorar o céu do norte, e um chamado 4MOST no Observatório do Paranal no Chile, que irá estudar os céus do sul. Uma visão completa da Via Láctea é necessária se você quiser entender como ela se formou.

Também precisamos de simulações de galáxias mais sofisticadas que incluam mais do que apenas gravidade e matéria escura. Interpretamos nossas descobertas com relação a Gaia-Enceladus usando uma simulação de 10 anos que não incluiu nenhum gás ou formação de estrela, mas isso não é realista. Precisamos tentar entender o que acontece quando você adiciona gás às simulações e acompanha a evolução da formação estelar e também dos elementos químicos, o que nos dará um quadro mais completo e realista da história da galáxia. Também precisamos tentar entender se essa única grande fusão também teve um impacto nas propriedades de outros componentes da Via Láctea, como o bojo central.

Com base em observações e modelos, você pode fazer previsões para o futuro da Via Láctea nos próximos bilhões de anos?

Em alguns bilhões de anos, a Via Láctea se fundirá com as Grandes e Pequenas Nuvens de Magalhães. Cerca de um bilhão de anos depois disso, a galáxia também se fundirá com Andrômeda. Essa será uma grande mudança para a Via Láctea. Este é um objeto que tem basicamente a mesma massa, e quando duas galáxias da mesma massa se fundem, você normalmente faz uma galáxia elíptica, uma estrutura redonda sem disco ou braços espirais. E como é provável que ambas as galáxias ainda tenham muito gás, isso levará à formação de muitas estrelas. Portanto, o céu ficará completamente diferente.

Esta história foi publicada originalmente na revista Knowable. Leia o original aqui.

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Referência: 

SKIBBA, Ramin. A galactic archaeologist digs into the Milky Way’s history. Astronomy, 15, jun. 2021. Knowable Magazine Disponível em: <https://astronomy.com/news/2021/06/a-galactic-archaeologist-digs-into-the-milky-ways-history>. Acesso em: 24, jun. 2021.