Mistério das Gláxias Seyfert Revelado

A galáxia Messier 77 (M77) é famosa por seu núcleo super-ativo que libera enorme energia em todo o espectro eletromagnético, variando de raios-x para ondas de rádio. No entanto, apesar de seu núcleo altamente ativo, a galáxia parece uma espiral silenciosa normal. Não existe um sinal visual do que causa a sua região central irradiar tão amplamente. Tem sido um mistério por que apenas o centro da M77 é tão ativo. Os astrônomos suspeitam de um evento há muito tempo envolvendo um buraco negro externo mergulhando na galáxia, o que poderia ter colocado o núcleo em alta velocidade.

Para testar suas ideias sobre por que a região central da M77 irradia enormes quantidades de energia, uma equipe de pesquisadores do Observatório Astronômico Nacional e a Universidade Aberta, ambas do do Japão, usaram o Telescópio Subaru para estudá-la. A imagem profunda sem precedentes da galáxia revela evidências de uma fusão menor escondida bilhões de anos atrás. A descoberta fornece evidências cruciais para a origem da fusão menor de núcleos galácticos ativos.

Figura 1: A imagem profunda da Messier 77 tomada com o Hyper Suprime-Cam (HSC) montado no Telescópio Subaru. A imagem é criada adicionando as informações de cores do Sloan Digital Sky Survey à imagem monocromática adquirida pelo HSC. (Crédito: NAOJ / SDSS / David Hogg / Michael Blanton. Processamento de Imagem: Ichi Tanaka)

A existência de galaxias tão ativas no universo vizinho foi observada pela primeira vez pelo astrônomo norte-americano Carl Seyfert há mais de 70 anos. Hoje em dia elas são chamados de galáxias de Seyfert.

Os astrônomos pensam que a fonte de uma atividade tão poderosa é a energia gravitacional liberada da matéria superaquecida caindo sobre um buraco negro supermassivo (SMBH, na sigla em inglês) que reside no centro da galáxia hospedeira. A massa estimada de um SMBH para M77 é cerca de 10 milhões de vezes a do Sol.

É preciso uma enorme quantidade de gás despejado no buraco negro da galáxia para criar energias tão fortes. Isso pode parecer uma tarefa fácil, mas na verdade é muito difícil. O gás no disco galáctico circulará cada vez mais rápido à medida que ele espira na proximidade do SMBH.

Então, em algum momento, a "força centrífuga" se equilibra com a atração gravitacional do SMBH. Isso realmente impede o gás de cair no buraco negro. A situação é semelhante à drenagem de água de uma banheira. Devido à força centrífuga, a água com rotação rápida não drenará rapidamente. Então, como o momento angular pode ser removido do gás circundando perto de um núcleo galáctico ativo? Encontrar a resposta a essa pergunta é um dos grandes desafios para os pesquisadores de hoje.

Em 1999, o professor Yoshiaki Taniguchi (atualmente na Universidade Aberta do Japão), líder da equipe do atual estudo, publicou um artigo sobre o mecanismo de direção do núcleo ativo das galáxias de Seyfert, como M77. Ele ressaltou que em um evento passado  - uma "fusão menor" onde a galáxia hospedeira engoliu sua galáxia "satélite" (uma pequena galáxia de baixa massa orbitando-a) - seria a chave para ativar o núcleo de Seyfert.

Geralmente, um evento de fusão menor simplesmente quebra uma galáxia de satélite de baixa massa. Os restos resultantes são absorvidos no disco da galáxia hospedeira mais massiva antes de se aproximar do centro. Portanto, não foi considerado o principal motor da atividade nuclear. "No entanto, a situação poderia ser totalmente diferente se a galáxia-satélite tivesse um SMBH (menor) em seu centro", sugere o professor Taniguchi, "porque um buraco negro não pode ser quebrado. Se ele existir, ele deveria finalmente se afundar no centro da galaxia hospedeira ".

O afundamento do SMBH da galáxia-satélite eventualmente criaria uma perturbação no disco rotativo de gás em torno do SMBH da galáxia principal. Então, o gás perturbado eventualmente se precipitaria para o SMBH central liberando enorme energia gravitacional. "Este deve ser o principal mecanismo de ignição dos núcleos ativos de Seyfert", argumentou Taniguchi.

Os avanços recentes na técnica de observação permitem a detecção da estrutura extremamente fraca em torno de galáxias, como loops ou detritos que provavelmente são feitos por interações dinâmicas com galáxias-satélite.

As partes mais externas das galáxias são muitas vezes consideradas como relativamente "silenciosas" com uma escala de tempo dinâmica mais longa do que em qualquer lugar em seu centro. As simulações mostram que a fraca assinatura de uma recente fusão menor pode permanecer vários bilhões de anos após o evento. "Essa assinatura pode ser um teste-chave para nossa hipótese de fusão menor para as galáxias de Seyfert. Agora é hora de revisar M77", disse Taniguchi.

A escolha da equipe para testar a hipótese foi, obviamente, o Telescópio Subaru e sua poderosa câmera de imagem, Hyper Suprime-Cam. A proposta de observação foi aceita e executada na noite de Natal de 2016. "Os dados foram simplesmente surpreendentes", disse o Dr. Ichi Tanaka, o principal investigador do projeto. "Por sorte, também pudemos recuperar os outros dados que foram retirados no passado e apenas lançados no arquivo de dados do Subaru Telescope. Assim, os dados combinados que obtivemos são incrivelmente profundos".

Na Figura 2, à esquerda, visualiza-se as estruturas recentemente descobertas e extremamente difusas em torno de M77. A parte de cor mais interna da imagem mostra a parte brilhante da galáxia (do SDSS: veja o centro da Figura 1). A parte do meio em vermelho-marrom é a expressão de contraste da estrutura fraca de um braço (rotulada como "Banana") à direita, bem como a estrutura da ondulação (rotulada como "Ripple") à esquerda. Todos os objetos anteriores / de fundo não relacionados ao M77 foram removidos durante o processo. A parte monocromática mais externa mostra as fracas estruturas ultra-difusas em círculos amarelos (rotulados como 'UDO-SE', 'UDO-NE', 'UDO-SW'). Um olhar profundo para eles indica que os dois últimos ('UDO-NE', 'UDO-SW') constituem uma parte da grande estrutura semelhante ao loop.

A Figura 2 mostra o resultado. A equipe identificou vários recursos notáveis ​​fora do disco brilhante como visto na Figura 1, a maioria dos quais não era conhecida antes da observação. Existe uma fraca estrutura externa de um braço fora do disco para o oeste. A parte oposta do disco possui uma estrutura ondulada que é claramente diferente do padrão espiral. As assinaturas detectadas coincidem surpreendentemente com o resultado de uma simulação de fusão menor, publicada por outras equipes de pesquisa. Além do mais, a equipe de observação descobriu três estruturas extremadamente difusas e grandes que ficaram mais distantes do disco. Curiosamente, parece que duas dessas manchas difusas realmente constituem um loop gigantesco em torno de M77 com um diâmetro de 250.000 anos-luz. Essas estruturas são evidências convincentes de que M77 engoliu sua galáxia-satélite, pelo menos, vários bilhões de anos atrás. Na parte direita da desta figura, é mostrada a impressão artística de M77, criado pelo artista Akihiro Ikeshita.

Figura 2

O grande poder de coleta de fótons do Subaru e o excelente desempenho da Hyper Suprime-Cam foram cruciais na descoberta das estruturas extremamente fracas na M77. Sua descoberta revela o passado violento escondido de uma galáxia de aparência normal.
A equipe expandirá seu estudo para mais galáxias Seyfert usando o Telescópio Subaru. O Dr. Masafumi Yagi, que lidera a próxima fase do projeto, disse: "Vamos descobrir mais e mais evidências da fusão de galáxias-satélite em torno das galáxias hospedeiras de Seyfert. Esperamos que o projeto possa fornecer uma peça crítica para a imagem unificada para o mecanismo desencadeante para núcleos galácticos ativos".

Fonte: Subaru Telescope