O verdadeiro tamanho das galáxias é muito maior do que pensávamos

Pergunte à maioria das pessoas do que uma galáxia é feita, e elas dirão que ela é feita de estrelas. Nossa própria galáxia, a Via Láctea, abriga entre 100 e 300 bilhões de estrelas, e podemos ver milhares delas a olho nu. Mas a maior parte da massa de uma galáxia é, na verdade, gás, e a extensão do gás tem sido difícil de medir.

Pesquisadores descobriram uma maneira de ver até onde esse gás se estende no cosmos.

Uma das questões fundamentais sobre galáxias diz respeito ao seu tamanho. Se limitarmos nossas observações a estrelas, então nossa galáxia, por exemplo, tem cerca de 26,8 quiloparsecs, ou cerca de 87.000 anos-luz, de diâmetro. Nossa vizinha, Andrômeda, tem cerca de 46,56 kpcs ou 152.000 anos-luz de diâmetro. Mas essas medições realmente definem os tamanhos?

Em uma nova pesquisa publicada na Nature Astronomy, pesquisadores mediram o alcance do gás que se estende além da população estelar de uma galáxia. É intitulado “Um mapa de emissão da transição do meio disco-circungaláctico na explosão estelar IRAS 08339+6517.“O autor principal é Nikole Nielsen, pesquisador da Universidade de Swinburne e ASTRO 3D e professor assistente na Universidade de Oklahoma.

As galáxias têm halos gasosos que servem como reservatórios de material formador de estrelas chamado meio circumgaláctico (CGM). O CGM faz interface com o meio intergaláctico (IGM), que é ainda mais gás que existe entre as galáxias. O CGM é notoriamente difícil de observar porque é muito difuso e extenso. Mas ele compõe cerca de 70% de uma galáxia típica (ignorando a matéria escura) e desempenha um papel importante. “Este reservatório difuso de gás, o meio circumgaláctico, atua como a interface entre uma galáxia e a teia cósmica que conecta as galáxias”, explicam os autores em seu artigo.

Os astrônomos dependem de objetos de fundo brilhantes para tentar observar o CGM. Coisas como quasares distantes, pulsares ou outras galáxias podem iluminar o gás e permitir que os astrônomos meçam seus espectros. Mas isso só funciona quando as coisas se alinham corretamente, e só produz uma imagem semelhante a um feixe da galáxia.

Nesta nova pesquisa, uma equipe de astrônomos encontrou uma maneira diferente de observar o CGM. Eles usaram o Keck Cosmic Web Imager (KCWI) no telescópio Keck de 10 metros no Havaí para observar o gás ao redor de IRAS 08339+6517. Em vez de uma visão limitada, semelhante a um feixe, do gás, eles foram capazes de detectar as nuvens de gás bem fora dos limites típicos de uma galáxia, até 100.000 anos-luz além do limite da luz estelar que normalmente define uma galáxia.

“Apresentamos espectroscopia de campo integral com resolução em escala de quiloparsec de linhas de emissão que traçam gás ionizado frio do centro de uma galáxia próxima a 30 kpcs em seu meio circumgaláctico”, escrevem os autores. Em seu artigo, eles explicam que “… obtemos o equivalente a milhares de linhas de visão de quasares ao redor de uma única galáxia.”

IRAS 08339+6517 é uma galáxia starburst a cerca de 56 kpcs de distância. Uma galáxia starburst é aquela que está gerando estrelas a uma taxa extraordinariamente alta. As imagens do Hubble mostram que é uma galáxia espiral de frente, e 90% de sua luz estelar está contida em um raio de cerca de 2,4 kpcs. “Ao contrário das espirais normais, ela tem propriedades bastante extremas, com uma taxa de formação de estrelas (SFR) = 12,1 massas solares ano^-1) que é ~ 10 vezes maior do que o típico para sua massa e populações estelares que são dominadas por estrelas muito jovens (~ 4 – 6 Myr)”, escrevem os autores.

Os pesquisadores descobriram que, à medida que o CGM se estende além da galáxia, as propriedades físicas do hidrogênio e do oxigênio no gás mudam. A mudança era onipresente a uma certa distância e indica que o gás está interagindo com diferentes fontes de energia.

“Nós o encontramos em todos os lugares que olhamos, o que foi realmente emocionante e meio surpreendente”, disse o autor principal Nielsen. “Agora estamos vendo onde a influência da galáxia para, a transição onde ela se torna parte de mais do que está ao redor da galáxia e, eventualmente, onde ela se junta à rede cósmica mais ampla e outras galáxias. Essas são todas fronteiras geralmente difusas.”

“Mas neste caso, parece que encontramos uma fronteira bastante clara nesta galáxia entre seu meio interestelar e seu meio circumgaláctico”, disse o professor Nielsen.

“No CGM, o gás está sendo aquecido por algo diferente das condições típicas dentro das galáxias; isso provavelmente inclui o aquecimento das emissões difusas das galáxias coletivas no Universo, e possivelmente alguma contribuição se deve a choques”, disse o Dr. Nielsen.

A fronteira é onde o gás é aquecido de forma diferente dentro da galáxia em comparação com fora dela. Dentro do disco da galáxia, o gás está sendo fotoionizado por regiões de formação de estrelas HII (hidrogênio atômico ionizado). Em distâncias maiores, o gás está sendo ionizado por choques ou pelo fundo UV extragaláctico.

“É essa mudança interessante que é importante e fornece algumas respostas para a questão de onde uma galáxia termina”, diz ela.

Esses resultados contribuem para uma das questões mais interessantes da astronomia: como as galáxias evoluem?

O gás flui para dentro das galáxias e se torna combustível para mais formação de estrelas. Ao mesmo tempo, o gás flui para fora de uma galáxia como parte do feedback estelar. Existem três tipos amplos de galáxias: galáxias starburst com quantidades extremas de formação de estrelas, galáxias extintas com muito pouca formação de estrelas e galáxias entre elas. O gás no CGM e no IGM desempenham papéis no orçamento de gás de uma galáxia.

IRAS08 tem um fluxo de gás notavelmente forte, mas seu perfil de metalicidade é plano e raso. Os astrônomos geralmente assumem que galáxias com essas metalicidades e SFRs altas estão adquirindo quantidades significativas de gás. Outras observações científicas de IRAS08 indicam “um rápido fluxo de gás para o centro do disco que está alimentando a explosão estelar muito forte e, subsequentemente, fluxos de saída fortes”, explicam os autores.

No entanto, IRAS 08 é um objeto complexo que também está interagindo com uma galáxia próxima. “Observações do VLA do gás HI ao redor de IRAS08 identificaram um filamento que se estende até ~ 40 kpcs da galáxia e contém 70% do gás neutro no sistema”, escrevem os autores. Este filamento interage com uma galáxia vizinha a cerca de 60 kpcs de distância, que é apenas um décimo da massa de IRAS-08.

Os autores dizem que essa interação com seu vizinho pode aumentar a formação de estrelas, mas não há evidências de que isso esteja afetando a morfologia do IRAS-08. Este não parece ser o primeiro estágio de uma eventual fusão.

Encontrar o limite entre o CGM e o IGM pode ser um passo crítico para entender como o gás entra e sai das galáxias e como o gás pode interagir com os vizinhos sem uma fusão.

“O meio circumgaláctico desempenha um papel enorme nesse ciclo desse gás”, diz o Dr. Nielsen. “Então, sendo capaz de entender como o CGM se parece ao redor de galáxias de diferentes tipos – aquelas que estão formando estrelas, aquelas que não estão mais formando estrelas e aquelas que estão em transição entre as duas – podemos observar diferenças nesse gás, o que pode impulsionar as diferenças dentro das próprias galáxias, e mudanças nesse reservatório podem, na verdade, estar impulsionando as mudanças na própria galáxia.”

A natureza tem poucas fronteiras discretas. Tudo interage com outras coisas, incluindo galáxias massivas. As interações guardam a chave para o entendimento.

Esses resultados podem abrir uma janela totalmente nova sobre como galáxias, gás e estrelas interagem e como as galáxias evoluem.