Lente Gravitacional

Vamos imaginar um objeto brilhante como uma estrela, uma galáxia, ou um quasar que estão muito distantes da Terra (10.000 milhões de anos-luz ). Para a nossa observação, vamos imaginar que temos um quasar. Se não há nada entre ele e nós, vemos uma imagem do quasar. No entanto, se uma enorme galáxia (ou aglomerado de galáxias ) está bloqueando a visão direta para o quasar, a luz será dobrado pelo campo gravitacional ao redor da galáxia. Isso é chamado de “lente gravitacional”. Mas em vez de criar uma única imagem do quasar, a lente gravitacional cria várias imagens. Nós seguimos os raios de luz, aqui da Terra para observar os locais aparentes do quasar. Se a galáxia fosse perfeitamente simétrica em relação à linha entre o quasar e a Terra, então veríamos um anel de quasares…

A Lente gravitacional funciona de forma análoga e é um efeito da teoria da relatividade geral de Einstein ou simplesmente, a massa curva a luz. O campo gravitacional de um objeto de grande massa vai estender-se muito no espaço, e fazer com que os raios de luz que passam próximo ao objeto (e, portanto, por meio de seu campo gravitacional) se dobrem reorientado-se em outro lugar. Quanto mais massivo o objeto, mais forte é o campo gravitacional e, portanto, maior a curvatura dos raios de luz.

Quais são os efeitos de uma lente gravitacional?
O tipo de lente gravitacional que os cosmólogos se interessam é somente em grande escalas. Quando os astrônomos olham uma imagem em um telescópio de uma parte qualquer do céu noturno, muitas galáxias serão visíveis nessa imagem. No entanto, entre a Terra e as galáxias existe uma entidade misteriosa chamada matéria escura. A matéria escura é invisível, mas tem massa, cerca de 85% da massa do Universo. Isto significa que os raios de luz que vêm para nós de galáxias distantes vão passar pelo campo gravitacional da matéria escura e, portanto, vai ser dobrado pelo efeito de lente gravitacional.

A Matéria Escura é encontrada onde quer que a matéria “normal”, exista, isto é, a matéria que compõe as galáxias. Por exemplo, um grande aglomerado de galáxias irá conter uma quantidade muito grande de matéria escura, que existe dentro e ao redor das galáxias que compõem o conjunto. A luz vinda de galáxias mais distantes que passa perto de um aglomerado pode ser distorcida pela sua massa. É a matéria escura no aglomerado que faz quase todo o efeito de uma lente gravitacional. Os efeitos podem ser muito forte e muito estranho, as imagens das galáxias distantes, com lentes são esticadas e puxadas em arcos. Isto pode ser visto na imagem abaixo da famosa Abell 2218 cluster. As galáxias reais não são desta forma, são geralmente elíptica ou em forma de espiral elas só aparecem desta maneira por causa da lente.
Esta distorção da forma estranha vem do fato de que galáxias são objetos de grandes dimensões, e os raios de luz que saem de um lado da galáxia (por exemplo, o lado esquerdo do nosso ponto de vista) vai passar através de uma parte diferente do espaço do que os raios de luz do o outro lado (por exemplo, o lado direito). Os raios de luz, portanto, passam por diferentes partes do campo gravitacional da matéria escura e serão dobrado de forma ligeiramente diferente.

O efeito disso é uma distorção da forma da imagem da galáxia, que pode, em alguns casos, ser muito grande. Outro efeito interessante que pode ocorrer é a formação de imagens múltiplas da mesma galáxia. Isso ocorre porque os raios de luz de uma galáxia distante pode ser focado em conjunto por uma lente gravitacional. Do ponto de vista de um observador na Terra, parece que dois raios de luz muito semelhantes viajam ao longo de linhas retas de diferentes partes do céu. Podemos ver mais do que uma imagem da galáxia mesmo em lugares diferentes.

Um exemplo de múltiplas imagens é mostrado em uma imagem do Telescópio Espacial Hubble (acima). Há três imagens da mesma galáxia, e cinco imagens de um quasar. As imagens não são da mesma forma ou tamanho, porque cada imagem vai percorrer uma região diferente do espaço em sua jornada até nós, e, portanto, terá sido distorcido de forma diferente. Uma técnica conhecida como espectroscopia é usado para determinar quais as imagens vieram da mesma galáxia.

Galáxia NGC 4526

Esta pequena galáxia é conhecida como NGC 4526 nesta nova imagem do Telescópio Espacial Hubble NASA / ESA. É uma das galáxias lenticulares mais brilhantes conhecidas, uma categoria que se encontra entre as espirais e as elípticas. Duas explosões conhecidas de supernova, uma em 1969 e outra em 1994, foram observadas na NGC 4526 e é conhecida por ter um buraco negro supermassivo colossal no centro que tem a massa de 450 milhões de sóis.

A NGC 4526 faz parte do cluster Virgo (constelação de Virgem) de galáxias. As observações terrestres de galáxias neste cluster revelaram que um quarto dessas galáxias parecem ter discos de gás em seus centros de rotação. A NGC 4526 é um disco giratório de gás, poeira e estrelas que se estende alem do seu centro, abrangendo cerca de 7% do raio inteiro da galáxia. Este disco está se movendo incrivelmente rápido, girando a mais de 250 quilômetros por segundo. A dinâmica desta região que gira rapidamente foi usada para medir a massa do buraco negro central da NGC 4526, uma técnica que não havia sido usada antes para registrar o buraco negro central de uma galáxia. Essa imagem foi tirada usando a Câmera Hubble’s Wide Field Planetary Camera 2. Crédito: ESA / Hubble e NASA

Estamos no segundo estágio da Via Láctea

Desde o nascimento da astronomia moderna, os cientistas têm procurado determinar toda a extensão da Via Láctea e aprender mais sobre sua estrutura, formação e evolução. De acordo com as teorias atuais, acredita-se amplamente que a Via Láctea se formou logo após o Big Bang (cerca de 13,51 bilhões de anos atrás). Este foi o resultado do nascimento das primeiras estrelas e aglomerados de estrelas se unindo, assim como a adição de gás diretamente do halo Galáctico.

Desde então, acredita-se que várias galáxias tenham se fundido com a Via Láctea, o que desencadeou a formação de novas estrelas. Mas, de acordo com um novo estudo de uma equipe de pesquisadores japoneses, nossa galáxia teve uma história mais turbulenta do que se pensava anteriormente. De acordo com suas descobertas, a Via Láctea experimentou uma era inativa entre dois períodos de formação de estrelas que duraram bilhões de anos, efetivamente morrendo antes de voltar à vida novamente.

O estudo, intitulado "The formation of solar-neighbourhood stars in two  generations separated by 5 billion years" apareceu recentemente na revista científica Nature. O estudo foi conduzido por Masafumi Noguchi, um astrônomo do Instituto Astronômico da Universidade Tohoku, Japão. Usando uma nova idéia conhecida como “acréscimo de fluxo a frio”, Noguchi calculou a evolução da Via Láctea ao longo de um período de 10 bilhões de anos.

Essa ideia de acréscimo de gás frio foi proposta pela primeira vez por Avishai Dekel, a cadeira de Física Teórica de André Aisenstadt na Universidade Hebraica de Jerusalém  e seus colegas para explicar como as galáxias acumulam gás do espaço circundante durante sua formação. O conceito de formação de dois estágios também foi sugerido no passado por Yuval Birnboim,  um conferencista da Universidade Hebraica e seus colegas para explicar a formação de galáxias mais massivas em nosso Universo.

No entanto, depois de construir um modelo da Via Láctea usando dados de composição de suas estrelas, Noguchi concluiu que nossa própria galáxia também experimentou dois estágios de formação de estrelas. De acordo com seu estudo, a história da Via Láctea pode ser discernida observando as composições elementares de suas estrelas, que são o resultado da composição do gás a partir do qual elas são formadas.
Ao observar as estrelas no "bairro" Solar, muitas pesquisas astronômicas observaram que há dois grupos que possuem diferentes composições químicas. Um é rico em elementos como oxigênio, magnésio e silício (elementos alfa), enquanto o outro é rico em ferro. A razão para essa dicotomia tem sido um mistério de longa data, mas o modelo de Noguchi fornece uma resposta possível.

De acordo com esse modelo, a Via Láctea começou quando correntes de gás frio se acumularam na galáxia e levaram à formação da primeira geração de estrelas. Este gás continha elementos alfa como resultado de supernovas de tipo II de vida curta onde uma estrela sofre colapso do núcleo no final do seu ciclo de vida e depois explode liberando esses elementos no meio intergaláctico. Isso levou a primeira geração de estrelas a ser rica em elementos alfa.
Então, cerca de 7 bilhões de anos atrás, surgiram ondas de choque que aqueceram o gás a altas temperaturas. Isso fez com que o gás frio parasse fluir para a nossa galáxia, fazendo com que a formação de estrelas cessasse. Um período de dois bilhões de anos de dormência continuou em nossa galáxia. Durante esse período, supernovas do tipo Ia de vida longa que ocorrem em sistemas binários onde uma anã branca gradualmente extrai material de seu companheiro injetaram ferro no gás intergalático e mudaram sua composição elementar.

Com o tempo, o gás intergaláctico começou a esfriar emitindo radiação e começou a fluir de volta à galáxia há 5 bilhões de anos. Isso levou a uma segunda geração de formação estelar, que incluía nosso Sol, rico em ferro. Embora a formação de dois estágios tenha sugerido para galáxias muito mais massivas no passado, Noguchi foi capaz de confirmar que a mesma imagem se aplica à nossa própria Via Láctea.
Além disso, outros estudos indicaram que o mesmo pode ser o caso da vizinha mais próximo da Via Láctea, a galáxia de Andrômeda. Em suma, o modelo de Noguchi prevê que galáxias espirais massivas experimentam uma lacuna na formação de estrelas, enquanto galáxias menores produzem estrelas continuamente.

No futuro, as observações por telescópios existentes e de próxima geração provavelmente fornecerão evidências adicionais desse fenômeno e nos dirão muito mais sobre a formação de galáxias. A partir disso, os astrônomos também serão capazes de construir modelos cada vez mais precisos de como o nosso Universo evoluiu com o tempo.
Fonte: Universe Today e Revista Nature