Quando o Telescópio Espacial James Webb foi lançado no dia de Natal em 2021, ele enfrentou uma série de questões intrigantes. Quando finalmente foi lançado, os astrônomos tinham uma grande lista de alvos implorando pelo tipo de observações detalhadas que apenas o poderoso telescópio espacial infravermelho poderia realizar. Um dos alvos era uma galáxia antiga e massiva que está basicamente morta e não forma novas estrelas.
Os resultados chegaram, e uma equipe internacional de astrônomos sabe o que aconteceu com a galáxia quiescente.
O crescimento e a evolução das galáxias é um campo de estudo fundamental na astronomia. Como chegamos do Big Bang até hoje, quando galáxias massivas como a nossa Via Láctea povoam o Universo? Os astrônomos aprenderam que buracos negros supermassivos (SMBHs) residem no coração de galáxias massivas e moldaram suas galáxias de maneiras poderosas.
As PMEs criam poderosos núcleos galácticos ativos (AGN) nos núcleos das galáxias. À medida que um SMBH atrai material para si, o material se acumula em um disco de acreção. O material é aquecido a temperaturas extremamente altas e emite energia por todo o espectro eletromagnético, criando um AGN que pode ofuscar o resto da galáxia.
AGN são objetos poderosos. De acordo com a teoria, eles têm o poder de interromper o fornecimento de gás frio formador de estrelas e de diminuir drasticamente a taxa de formação de estrelas (SFR) em sua galáxia hospedeira. Eles sopram ventos de gás formador de estrelas para fora de suas galáxias, o que diminui a SFR. Os astrônomos chamam isso de têmperae é frequentemente observada em galáxias massivas chamadas galáxias quiescentes.
Agora, o JWST observou uma antiga galáxia massiva chamada GS-10578 em desvio para o vermelho z?=?3,064. Ela é apelidada de ‘Galáxia de Pablo’ e, para um estágio tão inicial na evolução do Universo, é enorme: contém cerca de dois bilhões de massas solares. Mas a Galáxia de Pablo é extinta, o que significa que a maior parte de sua formação estelar aconteceu entre 12,5 e 11,5 bilhões de anos atrás. Muitas galáxias massivas locais são extintas, o que ajudou a impulsionar o desenvolvimento da teoria de Extinção de AGN.
Uma equipe de cientistas apresentou sua pesquisa sobre a Galáxia de Pablo em um novo artigo intitulado “Uma galáxia de rotação rápida pós-explosão estelar extinta por feedback de buraco negro supermassivo em z?=?3.” O artigo é publicado na Nature Astronomy, e o coautor principal é Francesco D’Eugenio, do Instituto Kavli de Cosmologia e do Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge, no Reino Unido.
“Nós encontramos o culpado. O buraco negro está matando esta galáxia e mantendo-a dormente, cortando a fonte de ‘alimento’ que a galáxia precisa para formar novas estrelas.”
Francesco D’Eugenio, Instituto Kavli de Cosmologia, Universidade de Cambridge, Reino Unido
“Galáxias locais, massivas e quiescentes se erguem como destroços colossais de gloriosas, mas remotas histórias de formação de estrelas (SFHs) e de extinção poderosa e rápida, do tipo que não tem igual nos dias de hoje”, escrevem os autores. “O Telescópio Espacial James Webb (JWST) nos permitiu pela primeira vez testemunhar essas galáxias monumentais durante a época há muito passada em que elas surgiram e caíram.”
“Com base em observações anteriores, sabíamos que esta galáxia estava em um estado extinto: ela não está formando muitas estrelas devido ao seu tamanho, e esperamos que haja uma ligação entre o buraco negro e o fim da formação de estrelas”, disse o coautor principal Dr. Francesco D’Eugenio do Instituto Kavli de Cosmologia de Cambridge. “No entanto, até Webb, não fomos capazes de estudar esta galáxia em detalhes suficientes para confirmar essa ligação, e não sabíamos se esse estado extinto é temporário ou permanente.”
“No universo primitivo, a maioria das galáxias forma muitas estrelas, então é interessante ver uma galáxia morta tão massiva nesse período de tempo”, disse o coautor Professor Roberto Maiolino, também do Instituto Kavli de Cosmologia. “Se ela tivesse tempo suficiente para chegar a esse tamanho massivo, qualquer processo que interrompesse a formação de estrelas provavelmente aconteceria relativamente rápido.”
A Galáxia de Pablo é às vezes chamada de ‘pepita azul,’ uma classe de galáxias que se acredita existir apenas no Universo primitivo. As pepitas azuis são massivas e extremamente compactas, e os astrônomos acreditam que elas são precursoras das galáxias quiescentes modernas chamadas ‘pepitas vermelhas.’ Pepitas azuis estão passando por ‘compactação rica em gás’. Isso significa que há uma explosão central de formação de estrelas que é impulsionada pela instabilidade do disco ou grandes fusões ricas em gás. Essa explosão é seguida por extinção, o que deixa uma galáxia pepita vermelha.
“Como mostraremos, GS-10578 é, em vez disso, uma pepita vermelha em um estágio avançado de extinção”, escrevem os autores. Eles explicam que ela está se fundindo com várias galáxias satélites de baixa massa e “está passando por um feedback ejetivo poderoso de seu SMBH”.
Os pesquisadores dizem que têm evidências diretas de que o feedback AGN pode extinguir a formação de estrelas em galáxias primitivas. Observações anteriores com outros telescópios mostram que as galáxias têm ventos de gás de saída rápida. Esse gás é quente, o que o torna mais fácil de ver, mas não forneceu evidências de que SMBHs e AGN podem extinguir a formação de estrelas. Isso ocorre porque o gás é quente, e as estrelas se formam a partir de gás frio e denso.
A Galáxia de Pablo não é diferente. Ela está expelindo grandes quantidades de gás quente a velocidades altas o suficiente para escapar completamente da galáxia. O SMBH e seu AGN estão empurrando o gás para fora.
Mas o JWST fez a diferença nessas novas observações. Ele observou um novo componente do vento que flui feito de gás frio. O gás frio não emite luz, mas o JWST é extremamente sensível e pode detectá-lo pela maneira como ele bloqueia a luz de galáxias distantes no fundo. Criticamente, sem gás frio, uma galáxia luta para formar estrelas e se extingue.
A quantidade de gás expelida pelos ventos provocados pelos AGNs é maior do que a quantidade necessária para formar novas estrelas.
“Nós encontramos o culpado”, disse D’Eugenio. “O buraco negro está matando esta galáxia e mantendo-a dormente, cortando a fonte de ‘alimento’ que a galáxia precisa para formar novas estrelas.”
Esses são resultados empolgantes, mas os autores alertam que essa é apenas uma galáxia. “GS-10578 representa uma oportunidade única para estudar como as galáxias mais massivas do Universo se tornaram — e permaneceram — quiescentes”, explicam os autores em sua pesquisa. “Embora não possamos tirar conclusões gerais de um único alvo, mostramos que o feedback do AGN é capaz de alimentar fluxos de gás neutro com alta velocidade e alta carga de massa, o suficiente para interromper a formação de estrelas removendo seu combustível de gás frio.”
Também ainda há questões pendentes. Outras galáxias semelhantes à Galáxia de Pablo também mostram que ventos de saída de gás frio podem ser a chave para a extinção das galáxias. “Como exatamente essas saídas são acopladas ao AGN ainda não está claro”, escrevem os autores. Eles explicam que apenas um censo de galáxias semelhantes pode nos dizer se essas fortes ejeções de gás formador de estrelas são um mecanismo chave para causar a extinção ou se a ejeção de gás é meramente episódica.
O JWST também respondeu a outra questão pendente sobre galáxias extintas. Nossos modelos teóricos mostraram que quando a formação de estrelas de uma galáxia era extinta, era um evento turbulento que destruía violentamente o formato da galáxia. A Galáxia de Pablo ainda exibe o imponente formato de disco de uma galáxia sem problemas. Suas estrelas estão se movendo de forma uniforme e previsível.
O JWST está funcionando exatamente como pretendido. Ao trazer o Universo antigo à vista, ele está respondendo a muitas perguntas antigas em astronomia, astrofísica e cosmologia.
“Sabíamos que buracos negros têm um impacto enorme em galáxias, e talvez seja comum que eles parem a formação de estrelas, mas até Webb, não fomos capazes de confirmar isso diretamente”, disse Maiolino. “É mais uma maneira pela qual Webb é um salto gigante em termos de nossa capacidade de estudar o universo primitivo e como ele evoluiu.”
