p A distribuição de galáxias na região do proto-superaglomerado há 11,5 bilhões de anos (canto superior esquerdo), e a imagem Suprime-Cam do telescópio Subaru usada neste trabalho (à direita, imagem maior). A distribuição neutra do gás hidrogênio é sobreposta na imagem do Subaru. A cor vermelha indica regiões mais densas do gás hidrogênio neutro. Os quadrados ciano correspondem às galáxias membros do proto-superaglomerado, enquanto objetos sem quadrados ciano são galáxias e estrelas em primeiro plano. A distribuição de gás hidrogênio neutro não se alinha perfeitamente com as galáxias. Crédito:Osaka Sangyo University / NAOJ
p Uma equipe liderada por pesquisadores da Universidade Osaka Sangyo, com membros da Tohoku University, Agência de Exploração Aeroespacial do Japão (JAXA) e outros, usou o Suprime-Cam no telescópio Subaru para criar o mapa mais extenso de gás hidrogênio neutro no universo primitivo. Esta nuvem aparece amplamente espalhada por 160 milhões de anos-luz dentro e ao redor de uma estrutura chamada proto-superaglomerado. É a maior estrutura do universo distante, e existiu cerca de 11,5 bilhões de anos atrás. Essa enorme nuvem de gás é extremamente valiosa para estudar a formação de estruturas em grande escala e a evolução das galáxias a partir do gás no início do universo, e merece uma investigação mais aprofundada. p "Estamos surpresos porque a estrutura densa de gás se estende muito mais do que o esperado no proto-superaglomerado, "disse o Dr. Mawatari." São necessárias observações de campo mais amplas com filtros de banda estreita para obter uma imagem completa desta maior estrutura do jovem Universo. Este é exatamente o tipo de pesquisa forte que pode ser feita com o Hyper Suprime-Cam (HSC) recentemente montado no telescópio Subaru. Pretendemos estudar a relação gás - galáxia em vários proto-superaglomerados usando o HSC. "
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Compreendendo a distribuição da matéria no universo
p Estrelas reunidas para formar galáxias, e as galáxias são agrupadas para formar estruturas maiores, como aglomerados ou superaglomerados. A matéria no universo atual está estruturada de forma hierárquica em escalas de aproximadamente 100 milhões de anos-luz. Contudo, não podemos observar estruturas não homogêneas em qualquer direção ou distância em escalas maiores do que isso. Uma questão importante na astronomia moderna é esclarecer quão perfeitamente a uniformidade e homogeneidade em grande escala na distribuição da matéria são mantidas. Além disso, astrônomos procuram investigar as propriedades das sementes de estruturas em grande escala (ou seja, as flutuações iniciais da matéria) que existiam no início do universo. Assim, é importante observar estruturas enormes em várias épocas (o que se traduz em distâncias). O estudo da matéria gasosa, bem como das galáxias, é necessário para uma compreensão precisa e abrangente. Isso ocorre porque os superaglomerados locais são conhecidos por serem ricos em gás. Além disso, é claro que existem muitas galáxias recém-nascidas em aglomerados antigos (ou distantes). Uma comparação detalhada entre as distribuições espaciais de galáxias e gás durante as primeiras épocas do universo é muito importante para entender o processo de formação de galáxias a partir dos aglomerados de gás (com baixa emissão de luz) no início do universo.
p Imagens esquemáticas de um esquema de análise de trabalho anterior (esquerda) e um novo método (direita). Na abordagem anterior, basicamente, uma única fonte de luz de fundo (quasar) pode ser usada em uma área pesquisada. Por outro lado, com o novo esquema, é mais fácil resolver espacialmente a densidade do gás hidrogênio neutro usando muitas galáxias normais em uma área pesquisada como fontes de luz de fundo. No novo esquema, a força de absorção pelo gás hidrogênio neutro é estimada medindo quanto fluxo das galáxias de fundo torna-se esmaecido na imagem de banda estreita, não usando espectro. Ao combinar este esquema com a capacidade de imagem de área ampla do telescópio Subaru, Mawatari, et al. fez o mapa mais extenso de gás hidrogênio neutro já criado. Crédito:Crédito:Osaka Sangyo University / NAOJ
p Para investigar o quanto antes, nuvens de gás turvas, os astrônomos tiram vantagem do fato de que a luz de objetos distantes brilhantes fica ofuscada pelo gás do primeiro plano (dando um efeito como uma "imagem de sombra"). Como o hidrogênio neutro na nuvem de gás absorve e diminui a luz dos objetos de fundo em um determinado comprimento de onda, podemos ver o recurso de absorção característica no espectro do objeto de fundo. Em muitas observações anteriores, pesquisadores usaram quasares (que são muito brilhantes e distantes) como fontes de luz de fundo. Porque quasares brilhantes são muito raros, as oportunidades para tais observações são limitadas. Isso permite que os astrônomos obtenham informações sobre o gás que está apenas ao longo da linha de visão entre um único QSO e a Terra em uma ampla área de pesquisa. Há muito tempo que o objetivo é obter informações "multidimensionais" de gás (por exemplo, resolver espacialmente as nuvens de gás) em vez da visão "unidimensional" atualmente disponível. Isso requer uma nova abordagem.
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Expandindo a visão
p Para ampliar sua visão desses objetos no universo primordial, O Dr. Ken Mawatari da Universidade Osaka Sangyo e seus colegas desenvolveram recentemente um esquema para analisar a distribuição espacial do gás hidrogênio neutro usando dados de imagem de galáxias de uma época distante. Existem duas vantagens principais nessa abordagem. Primeiro, em vez de quasares raros, a equipe usa várias galáxias normais como fontes de luz de fundo para investigar a distribuição de gás em vários lugares na área de pesquisa. Segundo, eles usam dados de imagem obtidos com o filtro de banda estreita no Suprime-cam. Ele é ajustado para que a luz com certos comprimentos de onda possa ser transmitida, para capturar evidências de absorção pelo gás hidrogênio neutro (o efeito de imagem de sombra). Comparado com o esquema tradicional de observações com base na espectroscopia de quasares, esse novo método permite que Mawatari e seus colaboradores obtenham informações sobre a distribuição de gás em áreas extensas com relativa rapidez.
p Os pesquisadores aplicaram seu esquema aos dados de imagem Suprime-Cam do Telescópio Subaru, obtidos em sua grande pesquisa anterior de galáxias. Os campos investigados neste trabalho incluem o campo SSA22, um ancestral de um superaglomerado de galáxias (proto-superaglomerado), onde jovens galáxias são formadas ativamente, no universo, 11,5 bilhões de anos atrás, no início do universo.
p Distribuição no céu do gás hidrogênio neutro nos três campos estudados neste trabalho. Enquanto nos campos normais (SXDS e GOODS-N), a densidade do gás hidrogênio neutro é consistente com a densidade média em todo o universo em 11,5 bilhões de anos atrás, a densidade do gás hidrogênio neutro é maior do que a média de todo o campo do proto-superaglomerado SSA22. Os contornos correspondem à densidade numérica das galáxias. Audacioso, sólido fino, e contornos tracejados significam a média, alta densidade, e regiões de baixa densidade, respectivamente. Crédito:Osaka Sangyo University / NAOJ
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Novos mapas de distribuição neutra de hidrogênio
p O trabalho dos pesquisadores resultou em mapas de áreas muito amplas do gás hidrogênio neutro nos três campos estudados. Parece que a absorção de gás hidrogênio neutro é significativamente forte em todo o campo do proto-superaglomerado SSA22 em comparação com os campos normais (SXDS e GOODS-N). Está claramente confirmado que o ambiente do proto-superaglomerado é rico em gás hidrogênio neutro, que é o principal bloco de construção das galáxias.
p O trabalho da equipe também revelou que a distribuição de gás na região do proto-superaglomerado não se alinha perfeitamente com a distribuição das galáxias. Embora o proto-superaglomerado seja rico em galáxias e gás, não há dependência de escala local da quantidade de gás correlacionada com a densidade das galáxias dentro do proto-superaglomerado. Este resultado pode significar que o gás hidrogênio neutro não apenas está associado às galáxias individuais, mas também se espalha difusamente pelo espaço intergaláctico apenas dentro do proto-superaglomerado. Uma vez que o excesso de gás hidrogênio neutro no campo SSA22 é detectado em toda a área pesquisada, esta estrutura de gás superdensa é, na verdade, estendida por mais de 160 milhões de anos-luz. Na visão tradicional de formação de estrutura, a flutuação da densidade da matéria é considerada menor e a estrutura de alta densidade em grande escala era mais rara no universo primitivo. A descoberta de que uma estrutura de gás que se estende por mais de 160 milhões de anos-luz (que é aproximadamente igual aos superaglomerados atuais em escala) já existia no universo 11,5 bilhões de anos atrás é um resultado surpreendente deste estudo.
p Ao investigar a distribuição espacial do gás hidrogênio neutro em uma área muito grande, os pesquisadores forneceram uma nova janela sobre a relação entre gás e galáxias no universo jovem. A enorme estrutura de gás SSA22 revelada por este trabalho é considerada um objeto-chave para testar a teoria padrão de formação de estrutura, e assim uma investigação mais aprofundada é esperada.
