Com dados do Telescópio Espacial de raios gama Fermi, recolhidos ao longo de 16 anos, uma equipa liderada por um investigador do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço revelou que desconhecemos a distância à maioria das fontes cósmicas mais energéticas já detetadas, o que tem grande impacto na nossa compreensão dos fenómenos mais extremos do Universo.

Chama-se First Cosmic Gamma-ray Horizon (1CGH) e é o mais recente catálogo de fontes extragalácticas de raios gama de alta energia. Publicado hoje¹ na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, por uma equipa internacional² liderada pelo investigador do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA³) Bruno Arsioli,baseado em observações do Telescópio Espacial de raios gama Fermi (NASA), o catálogo identifica quase 2800 fontes de raios gama acima dos 10 Giga eletrões-Volt (GeV), incluindo 62 até agora desconhecidas. Este resultado representa um aumento de quase 80% face ao último catálogo deste tipo (3FHL).

As fontes extragalácticas de raios gama não são muito comuns – atualmente, são conhecidas cerca de 7200 em todo o Universo. O líder da equipa, Bruno Arsioli (IA & Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa), explica que: “a maioria destas novas fonte são Blazares⁴, com picos de radiação sincrotrão extremos e elevados, que constituem a principal população de fontes extragalácticas de Tera eletrões-Volt (TeV), sendo por isso alvos prioritários para o futuro Observatório da Rede de Telescópios Cherenkov (Cherenkov Telescope Array Observatory – CTAO)”.

Sobre o artigo publicado hoje, Arsioli comenta ainda que: “neste trabalho realizámos uma extensa revisão da literatura sobre desvios para o vermelho, incorporando resultados de cerca de 70 campanhas de observação na banda do ótico. Verificámos que aproximadamente 72% das fontes presentes no catálogo 1CGH ainda têm estimativas pouco robustas, ou mesmo nenhuma, para a sua distância”.

A ausência dessa informação limita o entendimento atual sobre a transparência do Universo aos fotões de mais alta energia, pondo em causa quão longe é realmente possível observar fontes extremas no Universo. “Esta lacuna no conhecimento atual representa um desafio para toda a comunidade de estudo de fenómenos de energia muito elevada, e evidencia a necessidade de campanhas de observação de seguimento na banda do ótico e infravermelho, focadas em determinar a distância dos Blazares detetados em raios gama.”, esclarece Arsioli.

Compreender a distância destas fontes cósmicas é essencial porque, à medida que os raios gama viajam pelo Universo, eles interagem com a Luz de Fundo Extragaláctica (EBL, na sigla em inglês), algo semelhante a um “nevoeiro cósmico de fotões”, que se estende do ultravioleta distante ao infravermelho próximo, composto sobretudo por radiação acumulada de estrelas e galáxias ao longo da história cósmica. Essa interação provoca a atenuação da radiação de muito alta energia proveniente de objetos distantes, deixando uma marca observável no seu espectro. Quanto mais longe estiver o Blazar, maior será esse efeito, por isso, conhecer a sua distância é crucial para medir com precisão a densidade da EBL em diferentes épocas do Universo.

A atenuação dos raios gama pela EBL define um limite para a maior distância a que é provável detetar fotões de energia muito elevada, limite conhecido como o Horizonte Cósmico de Raios Gama (sigla CGH, em inglês).

Este processo faz dos Blazares de raios gama sondas únicas para medir a densidade e evolução da EBL ao longo da história do Universo. Assim, Blazares distantes de raios gama oferecem uma forma alternativa de determinar a densidade da taxa de formação estelar (SFR) em épocas primordiais, possivelmente até à Época da Reionização⁵, com implicações para os estudos da evolução galáctica.

Para Polychronis Papaderos (IA & UPorto), líder da equipa “A história da formação de galáxias resolvida no espaço e no tempo” do IA: “o trabalho do Bruno Arsioli é um bom exemplo da investigação de ponta desenvolvida no IA, sobre a evolução e propriedades dos buracos negros supermassivos (BNSM), ao longo da história do Universo. É também um complemento indispensável para muitos outros projetos da nossa equipa”.

Alguns desses projetos de investigação do IA na área de galáxias e astronomia extragaláctica incluem: – Machine learning (um tipo de algoritmo de inteligência artificial de aprendizagem automática) aplicado a observações dos primeiros BNSM a se formarem no Universo;
– Simulações detalhadas da densidade superficial de AGNs distantes, que se espera venham a ser detetados pelo futuro telescópio de raios X da Agência Espacial Europeia (ESA) NewAthena, no qual o IA está a contribuir ativamente para a construção do seu Wide Field Imager;
– A preparação para estudos de modelação espectral de AGNs com o espectrógrafo multi fibra MOONS, que entrará em breve em operação no Very Large Telescope (VLT) do Observatório Europeu do Sul (ESO), sendo o IA co-instituição líder;
– O estudo de fontes rádio com elevado desvio para o vermelho, recorrendo aos precursores do Observatório Square Kilometer Array (SKAO), em particular a pesquisa Mapa Evolutivo do Universo (Evolutionary Map of the Universe – EMU), com o telescópio australiano ASKAP.

Estes dois últimos projetos contam com uma participação a alto nível de José Afonso (IA & Ciências ULisboa), coinvestigador principal responsável pelo VLT/MOONS e líder do Projeto de Ciência Principal sobre AGNs (AGN Key Science Project) do EMU.

Notas

1. O artigo “Mapping the Cosmic Gamma-ray Horizon: The 1CGH Catalogue of Fermi-LAT detections above 10 GeV”, foi publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 24-2722-MJ.R2 (DOI: 10.1093/mnras/staf329
2. A  equipa é composta por: Bruno Arsioli, Yu-Ling Chang, Luca Ighina.
3. O Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) é a instituição de referência na área em Portugal, integrando investigadores da Universidade de Lisboa, Universidade de Coimbra e Universidade do Porto, e englobando a maioria da produção científica nacional na área. Foi avaliado como “Excelente” na última avaliação de unidades de investigação e desenvolvimento organizada pela Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT). A atividade do IA é financiada por fundos nacionais e internacionais, incluindo pela FCT/MCES (UIDB/04434/2020 e UIDP/04434/2020).
4. Um Blazar é um tipo específico de núcleo de galáxia ativa (sigla AGN, em inglês). Um AGN deve a sua emissão ao disco de acreção de material a cair para o buraco negro supermassivo no centro da galáxia. Conforme acelera, ao ser atraído pela gravidade do buraco negro, este material aquece, emitindo enormes quantidade de energia ao longo do todo o espectro eletromagnético, incluindo fotões de raios gama de alta energia. Além do disco, os AGNs têm ainda jatos bipolares, sendo as  interações entre fotões de baixa energia e partículas relativisticas nestes jatos responsáveis por emitir fotões de alta energia, tais como raios gama. Os Blazares são AGN’s cujos jatos bipolares estão (praticamente) alinhados com a Terra, o que faz com que pareçam muito mais brilhantes do que outros tipos de AGNs.
   Mais informação sobre Blazares disponível no artigo “Faróis na vastidão cósmica – a ciência dos blazares“, publicado na página da National Geographic Portugal.
5. A Época da Reionização ocorreu entre 150 milhões e mil milhões de anos depois do Big Bang, quando os primeiros objetos começaram a formar-se no universo primitivo, emitindo radiação com energia suficiente para reionizar o hidrogénio neutro. À medida que esses objetos se formavam e emitiam energia, o universo passou de um estado composto por átomos neutros para, mais uma vez, se tornar um plasma ionizado.

Contactos
Bruno Arsioli; Polychronis Papaderos (english only); José Afonso

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