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Como as galáxias morrem: novos insights sobre a extinção da formação estelar
Embora muitas teorias tenham sido propostas para explicar esse processo, conhecido como
Por Universidade da Califórnia - 16/07/2020


Uma nova teoria explica como os buracos negros crescem em função da massa da galáxia e acabam com a formação de estrelas em suas galáxias hospedeiras. As imagens neste gráfico são de galáxias próximas, na era atual, obtidas pelo Sloan Digital Sky Survey, escolhido para representar a evolução das galáxias. O gráfico mostra como a evolução de galáxias pequenas e densas difere da evolução de galáxias maiores e mais difusas. As galáxias mais densas têm buracos negros maiores para sua massa e, portanto, extinguem-se mais cedo, em uma massa menor, enquanto as galáxias mais difusas têm buracos negros menores para sua massa e precisam crescer mais antes que ocorra a têmpera. A mudança para uma ladeira mais íngreme marca a entrada no "vale verde", onde a têmpera começa fortemente. A teoria diz que os buracos negros começam a crescer mais rapidamente neste momento. Nossa Via Láctea está nesse ponto crítico agora, e seu buraco negro deve crescer por outro fator de três antes da extinção total. Crédito: Sandra Faber / Sofia Quiros / SDSS

Os astrônomos que estudam a evolução das galáxias há muito tempo lutam para entender o que faz com que a formação de estrelas se feche em galáxias massivas. Embora muitas teorias tenham sido propostas para explicar esse processo, conhecido como "extinção", ainda não há consenso sobre um modelo satisfatório.

Agora, uma equipe internacional liderada por Sandra Faber, professora emérita de astronomia e astrofísica na UC Santa Cruz, propôs um novo modelo que explica com sucesso uma ampla gama de observações sobre a estrutura da galáxia , buracos negros supermassivos e o apagamento da formação de estrelas . Os pesquisadores apresentaram suas descobertas em um artigo publicado em 1 de julho no Astrophysical Journal .

O modelo apoia uma das principais ideias sobre a têmpera que o atribui ao "feedback" do buraco negro, a energia liberada em uma galáxia e seus arredores a partir de um buraco negro supermassivo central quando a matéria cai no buraco negro e alimenta seu crescimento. Esse feedback energético aquece, ejeta ou interrompe o suprimento de gás da galáxia, impedindo a entrada de gás do halo da galáxia para alimentar a formação de estrelas.

"A ideia é que, nas galáxias que formam estrelas , o buraco negro central é como um parasita que finalmente cresce e mata o hospedeiro", explicou Faber. "Isso já foi dito antes, mas não temos regras claras para dizer quando um buraco negro é grande o suficiente para interromper a formação de estrelas em sua galáxia hospedeira, e agora temos regras quantitativas que realmente funcionam para explicar nossas observações".

A ideia básica envolve a relação entre a massa das estrelas em uma galáxia (massa estelar), o quanto essas estrelas estão espalhadas (o raio da galáxia) e a massa do buraco negro central. Para galáxias formadoras de estrelas com uma determinada massa estelar, a densidade de estrelas no centro da galáxia se correlaciona com o raio da galáxia, de modo que galáxias com raios maiores têm densidades estelares centrais mais baixas. Supondo que a massa do buraco negro central seja escalada com a densidade estelar central, as galáxias formadoras de estrelas com raios maiores (em uma determinada massa estelar) terão massas mais baixas de buraco negro.
 
Faber explicou que isso significa que galáxias maiores (aquelas com raios maiores para uma determinada massa estelar) precisam evoluir ainda mais e formar uma massa estelar mais alta antes que seus buracos negros centrais possam crescer o suficiente para saciar a formação de estrelas. Assim, as galáxias de raio pequeno saciam em massas mais baixas do que as galáxias de raio grande.

"Essa é a nova visão: se as galáxias com grandes raios têm buracos negros menores em uma determinada massa estelar e se o feedback dos buracos negros é importante para a têmpera, as galáxias com grandes raios precisam evoluir ainda mais", disse ela. "Se você reunir todas essas suposições, surpreendentemente, poderá reproduzir um grande número de tendências observadas nas propriedades estruturais das galáxias".

Isso explica, por exemplo, por que galáxias extintas mais massivas têm densidades estelares centrais mais altas, raios maiores e buracos negros centrais maiores.

Com base nesse modelo, os pesquisadores concluíram que a têmpera começa quando a energia total emitida pelo buraco negro é aproximadamente quatro vezes a energia de ligação gravitacional do gás no halo galáctico. A energia de ligação refere-se à força gravitacional que mantém o gás dentro do halo de matéria escura que envolve a galáxia. A têmpera é concluída quando a energia total emitida pelo buraco negro é vinte vezes a energia de ligação do gás no halo galáctico.

Faber enfatizou que o modelo ainda não explica em detalhes os mecanismos físicos envolvidos na extinção da formação de estrelas. "Os principais processos físicos que essa teoria simples evoca ainda não foram compreendidos", disse ela. "A virtude disso, porém, é que ter regras simples para cada etapa do processo desafia os teóricos a criar mecanismos físicos que explicam cada etapa".

Os astrônomos estão acostumados a pensar em termos de diagramas que traçam as relações entre diferentes propriedades das galáxias e mostram como elas mudam ao longo do tempo. Esses diagramas revelam as dramáticas diferenças na estrutura entre galáxias formadoras de estrelas e extintas e os limites nítidos entre elas. Como a formação estelar emite muita luz na extremidade azul do espectro de cores, os astrônomos se referem às galáxias formadoras de estrelas "azuis", galáxias quiescentes "vermelhas" e o "vale verde" como a transição entre elas. Em que estágio está uma galáxia é revelado por sua taxa de formação de estrelas.

Uma das conclusões do estudo é que a taxa de crescimento dos buracos negros deve mudar à medida que as galáxias evoluem de um estágio para o outro. A evidência observacional sugere que a maior parte do crescimento do buraco negro ocorre no vale verde quando as galáxias estão começando a se extinguir.

"O buraco negro parece ter sido liberado no momento em que a formação estelar diminui", disse Faber. "Esta foi uma revelação, porque explica por que as massas de buracos negros nas galáxias em formação de estrelas seguem uma lei de escala, enquanto os buracos negros nas galáxias extintas seguem outra lei de escala. Isso faz sentido se a massa de um buraco negro cresce rapidamente enquanto no vale verde".

Faber e seus colaboradores discutem essas questões há muitos anos. Desde 2010, a Faber co-lidera um grande programa de pesquisa de galáxias do Telescópio Espacial Hubble (CANDELS, o Levantamento Extragalático Profundo Profundo do Infravermelho Próximo do Cosmic Assembly), que produziu os dados usados ​​neste estudo. Ao analisar os dados do CANDELS, ela trabalhou em estreita colaboração com uma equipe liderada por Joel Primack, professor emérito de física da UCSC, que desenvolveu a simulação cosmológica de Bolshoi da evolução dos halos da matéria escura nas quais as galáxias se formam. Esses halos fornecem o andaime sobre o qual a teoria constrói a fase inicial da evolução das galáxias antes da extinção.

As ideias centrais do artigo surgiram da análise dos dados do CANDELS e atingiram Faber pela primeira vez há cerca de quatro anos. "De repente, surgiu em mim e percebi que, se juntarmos todas essas coisas - se as galáxias tinham uma trajetória simples em raio versus massa, e se a energia do buraco negro precisar superar a energia de ligação do halo -, isso pode explicar todos esses limites inclinados em os diagramas estruturais das galáxias ", disse ela.

Na época, Faber fazia viagens frequentes à China, onde esteve envolvida em colaborações de pesquisa e outras atividades. Foi professora visitante na Universidade Normal de Xangai, onde conheceu o primeiro autor Zhu Chen. Chen veio para a UC Santa Cruz em 2017 como pesquisador visitante e começou a trabalhar com a Faber para desenvolver essas ideias sobre a extinção de galáxias.

"Ela é matematicamente muito boa, melhor do que eu, e fez todos os cálculos para este artigo", disse Faber.

Faber também creditou a seu colaborador de longa data David Koo, professor emérito de astronomia e astrofísica da UCSC, por concentrar primeiro a atenção nas densidades centrais das galáxias como uma chave para o crescimento de buracos negros centrais.

Entre os quebra-cabeças explicados por este novo modelo, há uma diferença marcante entre nossa galáxia da Via Láctea e seu vizinho muito semelhante, Andrômeda. "A Via Láctea e Andrômeda têm quase a mesma massa estelar , mas o buraco negro de Andrômeda é quase 50 vezes maior que o da Via Láctea", disse Faber. "A ideia de que os buracos negros crescem muito no vale verde ajuda bastante a explicar esse mistério. A Via Láctea está entrando no vale verde e seu buraco negro ainda é pequeno, enquanto Andromeda está apenas saindo, então seu buraco negro cresceu muito maior e também mais extinta que a Via Láctea ".

 

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