Utilizando dados do Telescópio Espacial James Webb da NASA, os cientistas revelaram os primeiros espectros de luz estelar, revelando o papel central das galáxias de baixa massa no alvorecer do Universo. Crédito: SciTechDaily.com
Observações inovadoras do JWST revelam o papel fundamental das galáxias de baixa massa na reionização do universo primitivo, desafiando as teorias de evolução cósmica existentes.
Cientistas que trabalham com dados do Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA obtiveram os primeiros espectros completos de algumas das primeiras luzes estelares do universo. As imagens fornecem a imagem mais nítida até agora de galáxias recém-nascidas de massa muito baixa, criadas menos de mil milhões de anos após o Big Bang, e sugerem que as pequenas galáxias são centrais para a história da origem cósmica.
A equipe internacional de pesquisadores, incluindo dois astrofísicos da Penn State, publicou recentemente seus resultados na revista Natureza. Os espectros revelam parte da primeira luz visível de um período do universo conhecido como reionização, que foi impulsionado pela chegada das primeiras estrelas e galáxias.
Imagens de campo profundo do Telescópio Espacial James Webb da NASA forneceram os primeiros vislumbres de galáxias ultrafracas que os pesquisadores identificaram como fortes candidatas aos objetos que desencadearam a reionização do universo. Crédito: Hakim Atek/Universidade Sorbonne/JWST
O Universo Primordial: Uma Transição das Trevas para a Luz
A matéria normal no Universo começou como um nevoeiro quente e denso feito quase inteiramente de núcleos de hidrogénio e hélio, explicou Joel Leja, professor assistente de astronomia e astrofísica na Penn State e autor do artigo. À medida que se expandia e esfriava, prótons e elétrons isolados começaram a se ligar, formando hidrogênio neutro pela primeira vez. Então, cerca de 500 a 900 milhões de anos após o Big Bangesse hidrogénio neutro – que predominou no universo primitivo – começou a separar-se novamente em gás ionizado, estimulando a criação de estrelas e galáxias e levantando o nevoeiro primordial para que a luz pudesse viajar sem impedimentos através do cosmos pela primeira vez.
“Algo foi ativado e começou a bombear fótons de energia muito alta para o vazio intergaláctico”, disse Leja. “Essas fontes funcionavam como faróis cósmicos que queimavam a névoa de hidrogênio neutro. Seja o que for, foi tão energético e persistente que todo o universo ficou reionizado.”
Pioneiros galácticos: o papel das galáxias de baixa massa
Ao analisar os espectros de galáxias jovens e de baixa massa, os cientistas demonstraram que as pequenas galáxias eram fortes candidatas ao “algo” que desencadeou a reionização do Universo, aquecendo o denso gás primordial à sua volta e ionizando o hidrogénio outrora neutro.
“Se as outras galáxias de baixa massa no Universo forem tão comuns e energéticas como estas, pensamos que finalmente compreendemos os faróis que queimaram a névoa cósmica”, disse Leja. “Elas eram estrelas incrivelmente energéticas em muitas, muitas pequenas galáxias.”
Espera-se que a maioria das galáxias no universo primitivo sejam relativamente pequenas, tornando extremamente difícil estudar a sua frequência e as suas propriedades, acrescentou Leja. Graças a um feito tecnológico possibilitado pela combinação única da sensibilidade do JWST e do efeito de lente gravitacional do aglomerado Abell 2744 – galáxias próximas que agem como ampliadores cósmicos, distorcendo o espaço e amplificando a luz das galáxias de fundo – agora é possível determinar o abundância de pequenas galáxias e suas propriedades ionizantes durante os primeiros bilhões de anos do universo.
“Descobrimos que as galáxias pequenas superavam as galáxias massivas em cerca de cem para um durante esta época de reionização do universo”, disse Hakim Atek, astrofísico da Universidade de Sorbonne, pesquisador do Instituto de Astrofísica de Paris e primeiro autor do artigo, em um comunicado. “Estas novas observações também revelam que estas pequenas galáxias produziram uma quantidade considerável de fotões ionizantes, excedendo em quatro vezes os valores canónicos normalmente assumidos para galáxias distantes. Isto significa que o fluxo total de fotões ionizantes emitidos por estas galáxias excede em muito o limiar necessário para a reionização.”
Traçando a Evolução Cósmica: Direções Futuras
A equipe da Penn State liderou a modelagem para a pesquisa UNCOVER, que teve como alvo o grande aglomerado de galáxias em primeiro plano que focalizava as galáxias menores e mais distantes. Os pesquisadores da Penn State analisaram todos os pequenos pontos de luz na pesquisa para compreender as propriedades do objeto, bem como suas prováveis massas e distâncias. Essa análise foi então usada para orientar observações posteriores e mais detalhadas do JWST que levaram a esta descoberta, explicou Leja.
Antes destas descobertas, havia várias hipóteses que identificavam outras fontes responsáveis pela reionização cósmica, tais como buracos negros supermassivos; grandes galáxias com massas superiores a um bilhão de massas solares; e pequenas galáxias com massas inferiores a 1 bilhão de massas solares. Os investigadores disseram que a confirmação da hipótese relativa às galáxias de baixa massa revelou-se particularmente difícil, dada a sua baixa luminosidade, mas as novas descobertas oferecem a evidência mais clara até à data de que as galáxias de baixa massa desempenharam um papel central na reionização do Universo.
Os investigadores querem agora estender o estudo a uma escala maior para confirmar que o local específico que analisaram é representativo da distribuição média das galáxias no Universo. Para além do processo de reionização, as suas observações fornecem informações sobre o processo de formação inicial de estrelas, como as galáxias emergiram do gás primordial — e como evoluíram para o universo que conhecemos hoje.
Referência: “A maioria dos fótons que reionizaram o Universo vieram de galáxias anãs” por Hakim Atek, Ivo Labbé, Lukas J. Furtak, Iryna Chemerynska, Seiji Fujimoto, David J. Setton, Tim B. Miller, Pascal Oesch, Rachel Bezanson, Sedona H. Price, Pratika Dayal, Adi Zitrin, Vasily Kokorev, John R. Weaver, Gabriel Brammer, Pieter van Dokkum, Christina C. Williams, Sam E. Cutler, Robert Feldmann, Yoshinobu Fudamoto, Jenny E. Greene, Joel Leja, Michael V. Maseda, Adam Muzzin, Richard Pan, Casey Papovich, Erica J. Nelson, Themiya Nanayakkara, Daniel P. Stark, Mauro Stefanon, Katherine A. Suess, Bingjie Wang e Katherine E. Whitaker, 28 de fevereiro, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07043-6
Bingjie Wang, pós-doutorado em astrofísica, é o outro coautor do estudo na Penn State. Uma lista completa de autores e suas respectivas instituições está disponível no artigo publicado. Os pesquisadores reconhecem o financiamento e o apoio do CNES, do Programa Nacional de Cosmologia e Galáxias, do CEA, do Cosmic Dawn Center, da Fundação Nacional de Pesquisa Dinamarquesa, do Conselho Australiano de Pesquisa, do NOW, do programa CO-FUND Rosalind Franklin da Comissão Europeia e da Universidade de Groningen. , a Fundação Científica Binacional Estados Unidos-Israel, a Fundação Nacional de Ciência dos EUA (NSF), o Ministério da Ciência e Tecnologia, Israel e NOIRLabque é gerido pela Associação de Universidades para Investigação em Astronomia ao abrigo de um acordo de cooperação com a NSF.
