Sinal do MeerKAT revela um gigamáser de hidroxilo com lente gravitacional há oito mil milhões de anos

Um radiotelescópio na África do Sul detetou um sinal emitido há oito mil milhões de anos, numa altura em que o Universo ainda não tinha sequer metade da idade atual. A origem está ligada à colisão colossal de duas galáxias - e o sinal chegou até nós reforçado por uma rara “coincidência” cósmica, que funcionou como uma lente natural a apontar o feixe na nossa direção.

Um sinal de rádio atravessa oito mil milhões de anos até chegar a África

No centro desta observação está um objeto identificado pelo nome técnico HATLAS J142935.3-002836. Por trás desta referência de catálogo encontra-se um par de galáxias em colisão a uma distância enorme: cerca de oito mil milhões de anos-luz da Terra. Na prática, isto significa que as ondas de rádio agora registadas partiram quando o Universo tinha aproximadamente cinco mil milhões de anos.

Em condições normais, sinais tão longínquos vão-se dissipando ao longo do percurso até ficarem indistinguíveis do ruído de fundo, mesmo para radiotelescópios muito potentes. Aqui, porém, aconteceu algo invulgar pelo caminho.

"Entre a fonte e a Terra estava, por acaso, outra galáxia, cuja gravidade deformou o espaço e amplificou o sinal de rádio distante como uma lente óptica."

Esse efeito é conhecido como lente gravitacional e comporta-se como uma lupa gigantesca no cosmos. A massa da galáxia intermédia curva o espaço e concentra as ondas de rádio produzidas pela colisão distante, fazendo com que a intensidade medida aumente várias vezes. Só graças a este alinhamento entre fonte, lente e Terra o feixe se tornou detetável pelo instrumento sul-africano.

MeerKAT como janela de rádio para o Universo profundo

O sinal foi captado pelo conjunto de radiotelescópios MeerKAT, instalado no deserto do Karoo, na África do Sul. O sistema integra 64 antenas parabólicas que operam em conjunto como se fossem um único telescópio de enormes dimensões. O MeerKAT varre uma grande porção do céu do hemisfério sul no domínio do rádio, procurando de forma direcionada assinaturas muito fracas vindas de galáxias remotas.

A equipa liderada pelo astrofísico Marcin Glowacki, da Universidade de Pretória, analisou dados do programa de levantamento de linhas de absorção do MeerKAT (MeerKAT Absorption Line Survey). Neste projeto, os investigadores vasculham as observações à procura de assinaturas de rádio típicas de gás e moléculas no espaço. Foi nesses registos que o grupo encontrou um sinal que se destacava claramente do padrão habitual do ruído.

A interpretação apontou para um megamáser de hidroxilo, cuja emissão é, neste caso, significativamente mais intensa do que a de qualquer outro exemplo do mesmo tipo observado até hoje. Por isso, os investigadores propõem que seja designado como “gigamáser”, uma espécie de versão superlativa desta classe de “laser” cósmico.

Quando galáxias colidem e “lasers” do espaço entram em ação

A origem física do sinal está em moléculas de hidroxilo (OH) presentes na zona violenta onde duas galáxias se estão a fundir. Quando sistemas com milhares de milhões de estrelas colidem, vastas nuvens de gás e poeira ficam sujeitas a pressões extremas.

Essa compressão desencadeia vários processos em simultâneo:

• As nuvens de gás são comprimidas e aquecidas.
• Moléculas como o hidroxilo passam para estados de energia excitados.
• A formação de novas estrelas acelera para valores excecionalmente elevados.
• Ondas de choque e radiação continuam a aquecer o meio circundante.

No caso de HATLAS J142935, as condições atingem um patamar limite: de acordo com estimativas, ali formam-se todos os anos estrelas com uma massa total de várias centenas de massas solares. Este “modo de fogo contínuo” mantém as moléculas de hidroxilo num estado em que libertam energia preferencialmente numa determinada frequência de rádio.

"O resultado é um máser cósmico - um parente do laser que, em vez de luz visível, emite ondas de rádio."

Megamáseres como estes funcionam como faróis naturais no Universo. A sua radiação, amplificada e mais direcional, pode sobressair mesmo a distâncias imensas. O gigamáser agora observado ultrapassa em brilho os exemplos conhecidos até aqui e, por isso, oferece pistas sobre processos particularmente violentos nas regiões centrais das galáxias em fusão.

O que as ondas de rádio revelam sobre galáxias distantes

Para a investigação, os megamáseres são muito mais do que simples curiosidades. Os seus sinais permitem mapear a distribuição de gás molecular em galáxias longínquas. A partir daí, é possível inferir a intensidade da formação estelar e perceber de que forma as galáxias se transformam durante colisões.

À medida que surgem novas fontes, torna-se mais viável estimar com que frequência ocorreram estas grandes fusões no Universo jovem. A ambição científica é usar esse conhecimento para compreender como as grandes galáxias atuais - incluindo a Via Láctea - chegaram à configuração que apresentam hoje.

MeerKAT como antecâmara do mega-projeto SKA

Esta observação é considerada o primeiro gigamáser de hidroxilo comprovado que se tornou visível graças a uma lente gravitacional. O resultado reforça uma estratégia de observação defendida há anos por várias equipas: quando lente, fonte e Terra ficam alinhadas de forma favorável, o número de sinais detetáveis pode aumentar de forma significativa.

É precisamente esta abordagem que os investigadores pretendem expandir de modo substancial nos próximos anos. O MeerKAT funciona como banco de testes para o grande projeto internacional Square Kilometre Array (SKA). Esta rede, composta por milhares de antenas na África do Sul e na Austrália, deverá aumentar de forma clara a sensibilidade das observações no rádio.

Instrumento	Localização	Particularidade
MeerKAT	África do Sul, deserto do Karoo	64 antenas, elevada sensibilidade no céu do hemisfério sul
SKA (Fase 1)	África do Sul e Austrália	Milhares de antenas, cerca de dez vezes mais sensível do que o MeerKAT

Com o arranque das primeiras fases do SKA, previsto a partir de 2028, as equipas contam identificar milhares de megamáseres até agora escondidos. Áreas com enxames de galáxias muito massivos são especialmente apelativas, porque ali podem atuar muitas lentes gravitacionais em simultâneo. Por esse motivo, essas regiões do céu deverão ser monitorizadas de forma regular e direcionada.

Um novo mapa do Universo no rádio

A análise conjunta de dados do MeerKAT e do SKA deverá produzir um mapa radioastronómico do cosmos distante sem precedentes. Assim será possível acompanhar tendências de formação estelar ao longo de milhares de milhões de anos - em distâncias onde os telescópios ópticos começam a atingir os seus limites.

Gigamáseres como o agora detetado servem como pontos de referência. Assinalam locais onde existem condições relevantes também para a evolução de buracos negros supermassivos e de enxames estelares densos. Estudos sistemáticos destas fontes permitem testar modelos para o crescimento das regiões centrais das galáxias.

O que significam termos como máser, lente gravitacional e ano-luz

Muitos destes conceitos soam a ficção científica, mas descrevem fenómenos físicos bem definidos. Um máser é, essencialmente, um laser que emite ondas de rádio em vez de luz visível. A amplificação acontece quando muitas moléculas idênticas, no mesmo estado excitado, “disparam” em conjunto e libertam energia na mesma direção e no mesmo comprimento de onda.

A lente gravitacional tem uma origem completamente diferente: deriva da teoria da relatividade geral. A massa curva o espaço, e a luz - bem como as ondas de rádio - segue essa curvatura. Quando uma fonte distante, a lente e o observador ficam quase alinhados, um sinal fraco pode dar origem a múltiplas imagens e a uma amplificação marcada.

Já o ano-luz não é, literalmente, uma unidade de tempo, mas sim de distância: é o percurso que a luz - ou ondas de rádio - faz num ano no vácuo, cerca de 9,5 biliões de quilómetros. Ao situar-se a oito mil milhões de anos-luz, este sinal ilustra até que ponto os radiotelescópios conseguem hoje recuar no tempo e observar o passado do Universo.

À primeira vista, descobertas deste tipo podem parecer abstratas, mas têm utilidade prática para a astronomia. Quanto melhor os investigadores compreenderem colisões de galáxias, fluxos de gás e emissão de máseres, mais fiáveis se tornam as simulações do passado e do futuro cósmicos. Daí resultam modelos que apoiam o planeamento de novas missões, a conceção de telescópios e a procura de fenómenos raros.