O estudo dos núcleos ativos de galáxias (AGNs) em alta resolução espacial é crucial para compreender os mecanismos de feedback e alimentação dos buracos negros supermassivos centrais. Utilizando o Telescópio Binocular Grande (LBT), pesquisadores obtiveram imagens sem precedentes do coração empoeirado de NGC 1068, uma galáxia Seyfert 2 próxima que é considerada o protótipo desse tipo de AGN. As observações foram realizadas com o instrumento NOMIC do LBT, operando no modo de imageamento Fizeau.
A técnica de imageamento Fizeau permite sintetizar a resolução equivalente a um telescópio de 22,8 m, preenchendo a lacuna entre observações de telescópios individuais e interferometria de longa base. As imagens obtidas têm uma resolução efetiva de 47 x 90 milissegundos de arco no comprimento de onda de 8,7 μm, revelando estruturas de baixo brilho superficial na região do disco/vento do AGN que são “super-resolvidas” por interferômetros como o VLTI.
O Telescópio Binocular Grande (LBT) é uma instalação única que combina dois espelhos de 8,4 m separados por 14,4 m. O Interferômetro do LBT (LBTI) co-fasa e combina interferometricamente os feixes dos dois espelhos, resultando em uma abertura virtual com uma linha de base máxima de 22,8 m. Esta configuração proporciona uma capacidade de coleta de luz equivalente a um telescópio de 11,9 m, oferecendo uma combinação única de alta resolução e sensibilidade.
O LBT representa um avanço significativo em relação aos telescópios convencionais, permitindo observações que antes só eram possíveis com interferômetros de longa base. Sua capacidade de realizar imageamento Fizeau o torna particularmente adequado para estudos de objetos extensos e de baixo brilho superficial, como os núcleos ativos de galáxias.
A técnica de imageamento Fizeau é o modo interferométrico mais simples do LBTI. Ela combina os feixes dos dois espelhos do LBT de forma a criar um padrão de interferência que pode ser interpretado como a imagem de um telescópio único com uma abertura de 22,8 m. Este método permite obter imagens de alta resolução em um campo relativamente amplo, de cerca de 5 segundos de arco.
O imageamento Fizeau oferece uma resolução angular de 78,7 milissegundos de arco a 8,7 μm, que é comparável à resolução esperada para a próxima geração de telescópios extremamente grandes. Esta técnica é particularmente valiosa para estudar objetos astronômicos que são muito extensos ou fracos para serem observados com interferômetros de longa base tradicionais.
O modo de imageamento Fizeau do LBTI preenche uma lacuna importante entre observações de telescópios individuais de alto contraste dinâmico (como o JWST) e imagens interferométricas de baixo contraste dinâmico e alta resolução (como o VLTI e CHARA). Sua resolução de 22,8 m é comparável à da próxima geração de telescópios da classe de 30 m e serve como um importante campo de testes para casos científicos e técnicas futuras.
Uma das principais vantagens do imageamento Fizeau é sua capacidade de fornecer imagens de alta fidelidade em um campo de visão relativamente amplo, algo que é difícil de alcançar com interferômetros tradicionais. Além disso, a técnica permite estudar objetos mais fracos e extensos do que seria possível com interferometria de longa base, tornando-a ideal para o estudo de AGNs e outras fontes astronômicas complexas.
As imagens obtidas com o LBTI revelaram estruturas complexas no núcleo de NGC 1068. Foi detectada emissão estendida ao longo da direção norte-sul, bem como fontes pontuais brilhantes a nordeste (a 45 pc do centro) e ao sul (a 20 pc do centro). A resolução de 47 x 90 milissegundos de arco permitiu distinguir subestruturas próximas ao núcleo do AGN, incluindo extensões de fluxo para o norte e nordeste até distâncias superiores a 10 pc.
Uma descoberta importante foi a identificação de uma estrutura chamada NEX (extensão nordeste), que se estende do pico de fluxo em direção ao nordeste. Esta estrutura corresponde à borda sul do cone de ionização observado em outros comprimentos de onda. A morfologia observada no infravermelho médio mostra uma forte correlação com emissão de linhas atômicas altamente excitadas no infravermelho próximo, indicando a presença de gás quente e ionizado.
As observações revelaram uma forte correlação entre a emissão de poeira no infravermelho médio e a emissão de rádio em 5 GHz. Esta correspondência sugere uma interação significativa entre o jato de rádio e o meio circundante. Em particular, as regiões de maior fluxo no infravermelho médio coincidem com estruturas conhecidas do jato de rádio, como as nuvens C e NE.
A análise dos dados mostrou que a emissão no infravermelho médio não pode ser explicada apenas pelo aquecimento da poeira pela radiação do AGN central. O excesso de fluxo observado, especialmente nas regiões correspondentes às estruturas do jato de rádio, indica que processos adicionais de aquecimento estão em jogo. Isso sugere que choques e interações entre o jato e o meio interestelar desempenham um papel importante no aquecimento da poeira nessas regiões.
As observações também revelaram uma banda escura entre o pico de fluxo e a emissão sul, interpretada como evidência de um disco de poeira obscurecedor. Medições da profundidade óptica deste disco forneceram informações valiosas sobre sua densidade e composição. Os pesquisadores estimaram uma profundidade óptica de τ8.7μm = 0,41 ± 0,04 para o disco obscurecedor na região entre 20 e 30 pc do AGN.
Além disso, a comparação com modelos de transferência radiativa sugeriu que parte da emissão observada pode ser atribuída a poeira aquecida pelo AGN na borda de um cone de vento. Estas medições fornecem restrições importantes para os modelos de discos+ventos em AGNs, ajudando a refinar nossa compreensão da estrutura e composição desses objetos.
As observações do LBTI fornecem forte suporte ao modelo unificado de AGNs, que propõe uma estrutura de disco+vento para explicar as diferentes classes de AGNs observadas. A detecção da estrutura NEX e sua correlação com o cone de ionização são consistentes com a presença de um vento de poeira impulsionado pela radiação do AGN, conforme previsto por modelos teóricos. A morfologia observada, incluindo o disco obscurecedor e o vento polar, alinha-se bem com as previsões do modelo unificado.
Além disso, a medição da profundidade óptica do disco obscurecedor e a identificação de estruturas de poeira em diferentes escalas fornecem evidências diretas dos componentes-chave do modelo unificado. Estas observações ajudam a explicar como diferentes orientações do AGN em relação à nossa linha de visada podem resultar nas diversas classificações observacionais de núcleos galácticos ativos.
Os resultados obtidos lançam nova luz sobre os mecanismos de feedback e alimentação do buraco negro supermassivo. A interação observada entre o jato de rádio e o meio circundante, evidenciada pela correlação entre emissão infravermelha e rádio, sugere que o aquecimento por choques desempenha um papel importante na energética do AGN. Isso indica que o feedback do AGN não se limita apenas à radiação, mas também inclui interações mecânicas significativas com o meio circundante.
A identificação de estruturas como o NEX e o disco obscurecedor fornece insights sobre como o material é transportado para as regiões centrais do AGN e como os ventos e jatos podem influenciar a evolução da galáxia hospedeira. Essas observações ajudam a construir uma imagem mais completa dos ciclos de alimentação e feedback em AGNs, essenciais para entender a coevolução de buracos negros supermassivos e suas galáxias hospedeiras.
Um dos principais desafios enfrentados neste estudo foi a deconvolução da função de espalhamento de ponto (PSF) do LBTI. Devido à natureza única do imageamento Fizeau e às mudanças no sistema de óptica adaptativa do LBT desde estudos anteriores, foi necessário desenvolver e testar novos métodos de deconvolução para recuperar a distribuição de fluxo subjacente do alvo científico. Isso exigiu um trabalho significativo de processamento de dados e desenvolvimento de algoritmos.
Além disso, o processo de “lucky fringing”, que envolve a seleção dos melhores 10% dos dados, embora eficaz para melhorar a qualidade da imagem, resultou em um tempo de exposição efetivo relativamente curto. Isso limitou a sensibilidade das observações, especialmente para estruturas de baixo brilho superficial.
A interpretação das estruturas observadas também apresentou desafios, pois diferentes processos físicos podem contribuir para a emissão no infravermelho médio. Distinguir entre poeira aquecida pelo AGN, poeira aquecida por choques e emissão não térmica requer análises cuidadosas e comparações com observações em outros comprimentos de onda. Embora o estudo tenha feito progressos significativos nessa direção, algumas incertezas permanecem quanto à natureza exata de certas estruturas observadas.
Além disso, limitações técnicas, como o campo de visão limitado e a sensibilidade do instrumento, restringiram a capacidade de estudar estruturas em escalas maiores ou fontes mais fracas. A falta de informações espectrais detalhadas neste estudo também limitou a capacidade de determinar com precisão as temperaturas e composições da poeira em diferentes regiões, deixando algumas questões em aberto para futuras investigações.
Este estudo abre caminho para investigações similares de outros AGNs próximos. Os autores estimam que, com base no desempenho alcançado para NGC 1068, seria possível obter imagens de alta qualidade para cerca de 24 AGNs do hemisfério norte que são suficientemente brilhantes no infravermelho médio e têm estrelas guia adequadas para óptica adaptativa. Isso oferece a perspectiva de um estudo comparativo de uma amostra significativa de AGNs, permitindo uma compreensão mais abrangente da diversidade e das características comuns desses objetos.
A aplicação desta técnica a uma amostra maior de AGNs poderia revelar como as estruturas observadas em NGC 1068 variam em função de propriedades como luminosidade, taxa de acreção e ambiente galáctico. Tal estudo populacional seria comparável em escopo à amostra do VLTI/MIDI, que causou uma mudança de paradigma para os modelos de disco+vento em AGNs.
As técnicas desenvolvidas neste trabalho serão valiosas para a próxima geração de telescópios extremamente grandes, como o ELT e o GMT. As imagens obtidas com o LBTI já fornecem uma prévia do tipo de dados que esses futuros observatórios poderão produzir, permitindo o desenvolvimento e teste de métodos de análise e interpretação. Espera-se que esses futuros telescópios ofereçam resoluções ainda maiores e maior sensibilidade, permitindo estudos ainda mais detalhados da estrutura e dinâmica dos AGNs.
Futuras observações com o LBTI utilizando diferentes filtros no infravermelho médio ou próximo permitirão medir temperaturas de poeira espacialmente resolvidas e restringir ainda mais os processos de emissão. Isso será crucial para distinguir entre diferentes mecanismos de aquecimento da poeira e compreender melhor a interação entre o AGN e seu ambiente circundante. Além disso, a combinação de dados do LBTI com observações em outros comprimentos de onda e técnicas, como ALMA e JWST, promete fornecer uma visão ainda mais completa e multifacetada dos AGNs.
O estudo utilizando o imageamento Fizeau do LBTI proporcionou uma visão sem precedentes do coração empoeirado de NGC 1068, revelando estruturas complexas na escala de poucos parsecs. As observações forneceram evidências diretas de um disco obscurecedor e um vento de poeira, consistentes com o modelo unificado de AGNs. A alta resolução espacial alcançada permitiu distinguir diferentes componentes da emissão no infravermelho médio, incluindo poeira aquecida pelo AGN, poeira possivelmente aquecida por choques associados ao jato de rádio, e estruturas associadas ao cone de ionização.
Estas descobertas lançam nova luz sobre os processos físicos que governam a interação entre o AGN e seu ambiente circundante. A identificação de estruturas como o NEX e a medição da profundidade óptica do disco obscurecedor fornecem informações cruciais sobre a geometria e as propriedades físicas do material ao redor do buraco negro supermassivo. Além disso, a correlação observada entre a emissão no infravermelho médio e as estruturas do jato de rádio destaca a complexidade dos mecanismos de aquecimento e feedback em AGNs.
Este trabalho representa um avanço significativo na nossa capacidade de estudar AGNs em alta resolução espacial. As técnicas desenvolvidas e os resultados obtidos fornecem uma ponte crucial entre as observações de telescópios individuais e a interferometria de longa base, preenchendo uma lacuna importante em nossa compreensão da estrutura dos AGNs em diferentes escalas. A capacidade de resolver estruturas na escala de poucos parsecs em AGNs próximos é fundamental para aprofundar nosso entendimento sobre os processos físicos que ocorrem nas regiões centrais dessas galáxias ativas.
As descobertas feitas neste estudo têm implicações importantes para diversos aspectos da astrofísica de AGNs:
1. Modelo unificado: As observações fornecem evidências diretas que suportam o modelo unificado de AGNs, mostrando a coexistência de estruturas como o disco obscurecedor e o vento polar.
2. Mecanismos de feedback: A identificação de interações entre o jato de rádio e o meio circundante oferece insights valiosos sobre os processos de feedback do AGN, que são cruciais para entender a evolução das galáxias.
3. Acreção e alimentação: As estruturas observadas, como o NEX, fornecem pistas sobre como o material é transportado para as regiões centrais, alimentando o buraco negro supermassivo.
4. Física de poeira e gás: As medições da profundidade óptica e as correlações entre emissão no infravermelho e rádio permitem um estudo detalhado das propriedades da poeira e do gás nas vizinhanças do AGN.
5. Técnicas observacionais: O sucesso do imageamento Fizeau com o LBTI abre caminho para estudos similares de outros AGNs, potencialmente levando a avanços significativos em nossa compreensão da população de núcleos galácticos ativos como um todo.
Além disso, este estudo serve como um importante precursor para as observações que serão realizadas com a próxima geração de telescópios extremamente grandes. As técnicas desenvolvidas e os resultados obtidos fornecem uma base sólida para o planejamento e interpretação de futuras observações de alta resolução de AGNs.
Em suma, a importância deste trabalho para a astrofísica de AGNs reside não apenas nas descobertas específicas sobre NGC 1068, mas também no potencial que ele demonstra para futuros estudos. Ao preencher a lacuna entre diferentes técnicas observacionais e escalas espaciais, este estudo contribui significativamente para uma compreensão mais holística e detalhada dos núcleos galácticos ativos, seus mecanismos de funcionamento e seu papel na evolução das galáxias.
Fonte:
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02461-y
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Artigo original:
spacetoday.com.br