Nas estrelas da Via Láctea, uma história de violência | Revista Quanta

No final da noite de 5 de outubro de 1923, Edwin Hubble sentou-se diante da ocular do telescópio Hooker no Observatório Mount Wilson, no topo das montanhas com vista para a bacia de Los Angeles. Ele estava observando um objeto no céu do norte. A olho nu, era visível como uma leve mancha. Mas através de um telescópio ela se transformou em uma elipse brilhante chamada Nebulosa de Andrômeda. Para resolver o debate sobre o tamanho da Via Láctea — que na altura se pensava ser o universo inteiro — o Hubble precisava de determinar a distância de Andrómeda a nós.

No campo de visão do telescópio, Andrômeda era um gigante. Hubble capturou pacientemente diversas exposições cobrindo muitas placas fotográficas de vidro e, nas primeiras horas de 6 de outubro, fez uma exposição de 45 minutos em uma pequena placa de vidro e rabiscou “N” onde viu três novas estrelas, ou novas. Mas quando comparou a sua imagem com fotografias captadas por outros astrónomos, percebeu que uma das suas novas novas era na verdade uma estrela variável Cefeida — um tipo de estrela que pode ser usada para medir distâncias astronómicas.

Ele riscou um “N” e escreveu “VAR!”

O Hubble usou esta estrela pulsante para calcular que Andrômeda estava a 1 milhão de anos-luz da Terra, uma distância muito maior que o diâmetro da Via Láctea (ele estava um pouco errado; Andrômeda está a cerca de 2.5 milhões de anos-luz de distância). E ele percebeu que Andrômeda não era uma mera nebulosa, mas um “universo insular” inteiro – uma galáxia distinta da nossa.

Com a divisão do cosmos numa galáxia natal e num universo maior, o estudo da nossa casa finita – e como ela existe dentro desse universo – poderia começar a sério. Agora, um século depois, os astrónomos ainda fazem descobertas inesperadas sobre a única ilha cósmica que alguma vez habitaremos. Eles podem ser capazes de explicar algumas das características da Via Láctea, reimaginando como ela se formou e cresceu no universo primitivo, examinando a sua forma irregular e estudando a sua capacidade de formar planetas. Os resultados mais recentes, acumulados ao longo dos últimos quatro anos, pintam agora uma imagem da nossa casa como um lugar único, num momento único.

Parece que tivemos a sorte de viver perto de uma estrela particularmente tranquila, nas margens calmas de uma galáxia de meia-idade, estranhamente inclinada e em espiral fraca, que foi largamente deixada sozinha durante a maior parte da sua existência.

Nosso universo insular

Da superfície da Terra - se você estiver em algum lugar muito escuro - você só poderá ver a faixa brilhante do disco galáctico da Via Láctea, de lado. Mas a galáxia em que vivemos é muito mais complicada.

Um buraco negro supermassivo agita-se no seu centro, rodeado pela “protuberância”, um nó de estrelas que contém alguns dos habitantes estelares mais antigos da galáxia. Em seguida vem o “disco fino” – a estrutura que podemos ver – onde a maioria das estrelas da Via Láctea, incluindo o Sol, estão divididas em gigantescos braços espirais. O disco fino está envolto num “disco grosso” mais largo, que contém estrelas mais antigas e mais espalhadas. Finalmente, um halo predominantemente esférico envolve estas estruturas; é composto principalmente de matéria escura, mas também contém estrelas e gás quente difuso.

Para fazer mapas dessas estruturas, os astrônomos recorrem a estrelas individuais. A composição de cada estrela regista o seu local de nascimento, idade e ingredientes natais, pelo que o estudo da luz estelar permite uma forma de cartografia galáctica - bem como de genealogia. Ao situar as estrelas no tempo e no espaço, os astrónomos podem reconstituir a história e inferir como a Via Láctea foi construída, peça por peça, ao longo de milhares de milhões de anos.

O primeiro grande esforço para estudar a formação primordial da Via Láctea começou na década de 1960, quando Olin Eggen, Donald Lynden-Bell e Alan Sandage, ex-aluno de Edwin Hubble, argumentaram que a galáxia entrou em colapso a partir de uma nuvem de gás giratória. Durante muito tempo depois disso, os astrónomos pensaram que a primeira estrutura a surgir na nossa galáxia foi o halo, seguido por um disco denso e brilhante de estrelas. À medida que telescópios mais poderosos surgiram, os astrónomos construíram mapas cada vez mais precisos e começaram a refinar as suas ideias sobre como a galáxia se uniu.

Tudo mudou em 2016, quando os primeiros dados do satélite Gaia, da Agência Espacial Europeia, regressaram à Terra. Gaia mede com precisão os caminhos de milhões de estrelas em toda a galáxia, permitindo aos astrónomos saber onde essas estrelas estão localizadas, como se movem no espaço e a que velocidade se deslocam. Com Gaia, os astrónomos puderam pintar uma imagem mais nítida da Via Láctea – uma imagem que revelou muitas surpresas.

A protuberância não é esférica, mas em forma de amendoim, e faz parte de uma barra maior que se estende pelo meio da nossa galáxia. A própria galáxia está distorcida como a aba de um chapéu de cowboy surrado. O disco espesso também é alargado, tornando-se mais espesso em direção às bordas, e pode ter se formado antes do halo. Os astrônomos nem têm certeza de quantos braços espirais a galáxia realmente possui.

O mapa do nosso universo insular não é tão claro quanto parecia. Nem tão calmo.

“Se você olhar para uma imagem tradicional da Via Láctea, você tem um belo halo esférico e um belo disco de aparência regular, e tudo está meio que estabilizado e estacionário. Mas o que sabemos agora é que esta galáxia está num estado de desequilíbrio”, disse Charlie Conroy, astrônomo do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica. “Essa imagem de que tudo é simples e bem ordenado foi realmente descartada nos últimos anos.”

Um novo mapa da Via Láctea

Três anos depois de Edwin Hubble ter percebido que Andrômeda era uma galáxia em si, ele e outros astrônomos estavam ocupados imaginando e classificando centenas de universos insulares. Essas galáxias pareciam existir em algumas formas e tamanhos predominantes, então Hubble desenvolveu um esquema de classificação básico conhecido como diagrama de diapasão: ele divide as galáxias em duas categorias, elípticas e espirais.

Os astrónomos ainda usam este esquema para categorizar galáxias, incluindo a nossa. Por enquanto, a Via Láctea é uma espiral, com braços que são os principais berçários de estrelas (e, portanto, de planetas). Durante meio século, os astrônomos pensaram que havia quatro braços principais – os braços de Sagitário, Órion, Perseu e Cisne (vivemos em uma ramificação menor, chamada sem imaginação de Braço Local). Mas novas medições de estrelas supergigantes e outros objetos estão a traçar um quadro diferente, e os astrónomos já não concordam sobre o número de braços ou os seus tamanhos, ou mesmo se a nossa galáxia é uma espécie estranha entre ilhas.

“Surpreendentemente, quase nenhuma galáxia externa apresenta quatro espirais que se estendem dos seus centros para as suas regiões exteriores,” Xu Ye, disse um astrônomo do Observatório da Montanha Púrpura da China, por e-mail.

Para traçar os braços espirais da Via Láctea, Ye e colegas usaram Gaia e radiotelescópios terrestres para procurar estrelas jovens. Eles descobriram que, tal como outras galáxias espirais, a Via Láctea tem apenas dois braços principais, Perseu e Norma. Vários braços longos e irregulares também envolvem seu núcleo, incluindo os braços Centauro, Sagitário, Carina, Externo e Local. Parece que, pelo menos na forma, a Via Láctea pode ser mais semelhante a ilhas cósmicas distantes do que os astrónomos pensavam.

“Estudar a Via Láctea em forma de espiral pode revelar se ela é única entre os bilhões de galáxias no universo observável”, escreveu Ye.

Costas Cósmicas

O estudo de Andrômeda e sua estrela variável por Hubble resultou de sua feroz rivalidade com outro famoso astrônomo do Monte Wilson, Harlow Shapley. A astrônoma de Harvard Henrietta Swan Leavitt foi pioneira no uso de estrelas variáveis ​​Cefeidas para medir distâncias e, usando seu método, Shapley calculou que a Via Láctea tinha 300,000 anos-luz de diâmetro - uma afirmação surpreendente em 1919, quando a maioria dos astrônomos acreditava que o Sol estava no centro da galáxia, e que toda a galáxia se estendia por 3,000 anos-luz. Shapley insistiu assim que outras “nebulosas espirais” deveriam ser nuvens de gás e não galáxias separadas, porque os seus tamanhos significariam que estavam inconcebivelmente distantes.

Hubble, por sua vez, escreveu suas medições de estrelas variáveis ​​e convenceu a todos de que Andrômeda era de fato uma galáxia separada. “Aqui está a carta que destruiu meu universo”, disse Shapley depois de ver os dados do Hubble.

Em termos de distâncias astronômicas, entretanto, Shapley pode não estar tão longe. No século seguinte, os astrônomos calcularam que o bojo da Via Láctea tem cerca de 12,000 mil anos-luz de diâmetro, que o disco se estende por 120,000 mil anos-luz e que o halo de matéria escura e antigos aglomerados de estrelas se estende por centenas de milhares de anos-luz em todas as direções.

Uma observação recente descobriram que algumas estrelas do halo estão espalhadas até 1 milhão de anos-luz de distância - a meio caminho de Andrômeda - o que sugere que o halo, e portanto a galáxia, não é exatamente um universo insular em si.

Astrônomos liderados por Jessé Han, um estudante graduado do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, determinou recentemente que o halo estelar não é esférico, como se supôs há muito tempo, mas tem a forma de uma bola de futebol. No trabalho publicado em 14 de setembro, Han e a sua equipa também mostraram que o halo de matéria escura pode estar inclinado cerca de 25 graus, fazendo com que toda a galáxia pareça distorcida.

E embora isso possa parecer bastante estranho, a inclinação em si pode ser uma evidência do passado violento da Via Láctea.

Uma perturbação na galáxia

Éons antes de Hubble sentar-se na ocular, eras antes de o Sol nascer, muito antes de a Via Láctea existir, o Big Bang destruiu toda a matéria e espalhou-a indiscriminadamente por todo o cosmos recém-nascido. As primeiras galáxias eventualmente se formaram a partir de fragmentos aleatórios, iniciando uma sequência de 13 bilhões de anos que nos levou até nós. Os astrónomos debatem as complexidades da forma como esses acontecimentos se desenrolaram, mas sabem que a galáxia que hoje habitamos cresceu através de um processo complexo que incluiu fusões e aquisições.

Por todo o universo, galáxias colidem e se combinam em calamidades inimaginavelmente gigantescas. O telescópio nomeado em homenagem a Edwin Hubble captura esses engavetamentos cósmicos o tempo todo. E embora hoje esteja relativamente plácida, a Via Láctea não é exceção: ao examinar os registros arqueológicos mantidos por estrelas, fluxos de gás, os chamados aglomerados globulares de milhares a milhões de estrelas e até mesmo as sombras de galáxias anãs devoradas, os cientistas estão aprendendo mais sobre como a Via Láctea evoluiu.

Os primeiros indícios de violência surgiram quando astrônomos que espiavam através do famoso telescópio de 200 polegadas do Observatório Palomar (que o Hubble foi o primeiro a usar) encontraram evidências em 1992 de que a Via Láctea estava destruindo alguns dos aglomerados globulares em seu halo. O Sloan Digital Sky Survey confirmou essa observação, e os radiotelescópios descobriram mais tarde que a galáxia também estava inalando fluxos de gás próximos.

Em meados de 2018, os astrónomos concluíram que a Via Láctea se tinha fundido com algumas pequenas galáxias ao longo da sua vida, mas que a maioria destes eram eventos menores. Pensava-se que a maior fusão recente, há 10 mil milhões de anos, envolvia a Galáxia Elíptica Anã de Sagitário, que doou fluxos de gás e grupos de estrelas para o halo estelar da Via Láctea. Mas os astrónomos não compreenderam completamente estes objetos até que o satélite Gaia divulgou o seu segundo conjunto de dados em 2018.

À medida que os astrónomos se debruçavam sobre os movimentos e posições detalhados de cerca de mil milhões de estrelas, surgiram sinais de uma grande perturbação na galáxia – eles viram destroços galácticos no halo. Lá, algumas estrelas orbitam em ângulos extremos e têm composições diferentes de outras, sugerindo que se originaram em outro lugar.

Os astrônomos consideraram essas estrelas estranhas como evidência de uma colisão titânica entre a Via Láctea e outra galáxia. A fusão, que provavelmente aconteceu entre 8 mil milhões e 11 mil milhões de anos atrás, teria perturbado catastroficamente a jovem Via Láctea, despedaçado a outra galáxia e desencadeado uma tempestade de formação de novas estrelas.

Os restos da galáxia em colisão são agora chamados de Gaia-Salsicha-Enceladus, resultado de duas equipes que descobriram independentemente os restos da fusão. Uma equipe deu-lhe o nome da divindade grega Gaia, mãe primordial da Terra e de toda a vida, e de seu filho Encélado. O outro notou que os restos pareciam uma salsicha. (Alguns astrônomos disputa que a galáxia que se aproximava era a única envolvida, sugerindo, em vez disso, que muitas colisões menores durante um período mais longo poderiam ter resultado nas estruturas que vemos agora.)

A fusão mudou tudo: o curso do halo da Via Láctea, do bojo interno e do disco achatado.

Agora, os astrónomos estão a usar várias ferramentas para compreender o momento do engavetamento Gaia-Salsicha-Enceladus e como a Via Láctea infantil cresceu como resultado.

Em março 2022, Maosheng Xiang e Hans Walter Rix do Instituto Max Planck de Astronomia começou definindo a Via Láctea 1.0, a protogaláxia que existia antes de qualquer fusão. Eles fizeram isso usando antigos estrelas subgigantes que são mais pequenos que o Sol e que esgotaram o seu combustível hidrogénio e estão agora a ficar inchados. O brilho de uma estrela subgigante corresponde à sua idade e a sua luz serve como uma impressão digital do seu material de nascimento. Quando Xiang e Rix usaram essas pistas para inferir as histórias de migração de um quarto de milhão de estrelas subgigantes, descobriram que o disco espesso se formou antes do esperado nas teorias de formação de galáxias – 13 bilhões de anos atrás, apenas um piscar de olhos após o Big Bang. .

Teorias cosmológicas populares sugerem que deveria ter levado mais tempo para que estruturas tão grandes e bem definidas se formassem após o Big Bang. E ainda assim eles continue surgindo nas observações de galáxias distantes do Telescópio Espacial James Webb, disse Rosemary Wyse, astrofísico da Universidade Johns Hopkins.

“Você pode relacionar como pensamos que nossa galáxia se formou com o que o JWST está vendo. Podemos ter uma imagem coerente de como uma galáxia se formou? Nossa galáxia é típica?” ela disse.

O disco grosso pode ter existido antes da fusão principal, mas o disco fino coincidiu com a chegada de Gaia-Salsicha-Enceladus, descobriram Xiang e Rix. Este processo de montagem em duas frentes, que produz discos estelares distintos, pode ser comum e pode ser crucial para desencadear a formação de estrelas. As taxas de natalidade têm diminuído desde aquele frenesim, mas a Via Láctea ainda produz cerca de 10 a 20 novas estrelas por ano.

Yuxi (Lucy) Lu, que acabou de se mudar da Universidade de Columbia para o Museu Americano de História Natural, queria compreender a história do disco galáctico e como ele mudou ao longo do tempo. Para fazer isso, ela estudou como as mudanças químicas ao longo da vida das estrelas poderiam ajudar a identificar os seus locais de nascimento. Ela se concentrou em estrelas subgigantes semelhantes e inchadas e, em um trabalho novo e não publicado, descobriu que subgigantes ricas em metal - aquelas com uma abundância de elementos mais pesados ​​​​que o hélio - começaram a crescer seriamente na época da fusão Gaia-Salsicha-Enceladus, entre 11 bilhões e 8 bilhões de anos atrás.

As evidências de Gaia-Salsicha-Encélado continuam a se acumular. Mas o que os astrônomos ainda não entendem é por que as coisas estão calmas desde então. A história química e a história estrutural da Via Láctea parecem atípicas, disse Lu.

Andrômeda, por exemplo, tem uma história muito mais violenta que a Via Láctea. Seria estranho que a nossa galáxia ficasse sozinha por tanto tempo, considerando as histórias de outras galáxias e o modelo cosmológico predominante que diz que as galáxias crescem colidindo umas com as outras, disse Wyse. “A história da fusão é incomum, e a história da montagem. Se somos realmente incomuns no universo… eu diria que ainda é uma questão em aberto”, disse ela.

Nascimento de uma nova ilha

Enquanto os astrónomos juntam as peças do passado da galáxia, outros estudam como as vizinhanças da galáxia podem ser tão diferentes umas das outras como as cidades e os subúrbios - uma possibilidade que levanta a questão de como os planetas (e talvez a vida) estão distribuídos pela galáxia.

Aqui, em torno de uma estrela específica no Braço Local, oito planetas se formaram ao redor do Sol – quatro rochosos e quatro gasosos. Mas outros braços podem ser diferentes. Esses ambientes podem produzir diferentes populações de estrelas e planetas, da mesma forma que a flora e a fauna especializadas evoluem em continentes com biosferas distintas.

“Talvez a vida só possa surgir numa galáxia realmente silenciosa. Talvez a vida só possa surgir em torno de uma estrela realmente tranquila”, disse Jessie Christiansen, um astrônomo do Instituto de Tecnologia da Califórnia que estuda as condições galácticas e seus efeitos na construção de planetas. “É tão difícil com esta amostra estatística de um; qualquer coisa [sobre a nossa galáxia] pode ser importante, ou nada pode ser importante.”

Um século depois de Edwin Hubble ter rabiscado “VAR!” numa placa de vidro, a panóplia de galáxias que se resolvem no campo de visão do JWST está a mudar o que sabemos sobre o cosmos e o nosso lugar nele. Assim como podemos usar a Via Láctea como um observatório astrofísico para compreender o universo mais amplo, também podemos usar o universo mais amplo e os seus milhares de milhões de galáxias para compreender a nossa casa e como viemos a existir.

Os astrônomos continuam a seguir as páginas do manual do Hubble e a examinar Andrômeda, a tênue elipse no céu do norte. Tal como Gaia fez mais perto de casa, o Instrumento Espectroscópico de Energia Escura no Observatório Nacional de Kitt Peak medirá estrelas individuais em Andrómeda e examinará os seus movimentos, idades e abundâncias químicas. Wyse também está planejando estudar estrelas individuais na galáxia vizinha, usando o Telescópio Subaru em Mauna Kea.

Isso fornecerá uma nova visão do passado de Andrômeda e uma nova comparação para a nossa própria galáxia. Também oferecerá um leve vislumbre de um futuro muito distante. Nossa galáxia acabará por destruir duas pequenas galáxias próximas, a Grande e a Pequena Nuvens de Magalhães, que estão gritando pelo espaço em nossa direção. Nossa galáxia já está começando a digeri-los.

“Se observássemos tudo isto daqui a mil milhões de anos, tudo pareceria muito mais confuso”, disse Conroy. “Acontece que estamos em um momento em que as coisas estão relativamente calmas.”

Em seguida, Andrômeda também se juntará a nós. A galáxia que abrange as placas de vidro de Edwin Hubble não será mais um universo insular. Andrômeda e a Via Láctea se aproximarão em espiral, com seus halos estelares girando juntos. Ao longo de escalas de tempo que desafiam a compreensão, os discos também se combinarão, aquecendo o gás frio e fazendo-o condensar e inflamar novas estrelas. Nas bordas de qualquer estrutura que for construída a seguir, surgirão novos sóis e, com eles, novos planetas. Mas, por enquanto, tudo está tranquilo, aqui no braço local da única galáxia que conheceremos.