Como podem as galáxias jovens no Universo primitivo ter estrelas antigas? Essa é a pergunta que uma equipe de astrônomos decidiu responder usando o JWST como sonda. Eles avistaram os objetos enormes pela primeira vez em 2022 e ainda estão trabalhando para explicar o que são essas coisas.
O JWST sensível ao infravermelho recentemente se concentrou em três desses objetos. Curiosamente, descobriu-os emitindo luz de estrelas que parecem ser misteriosamente antigas. As próprias galáxias foram vistas tal como surgiram cerca de 700 milhões de anos após o Big Bang. Eles não se parecem em nada com as espirais e elípticas que vemos no universo mais “moderno”.
“Confirmamos que estas parecem estar repletas de estrelas antigas — com centenas de milhões de anos — num universo que tem apenas 600-800 milhões de anos. Notavelmente, estes objetos detêm o recorde das primeiras assinaturas de luz estelar antiga”, disse Bingjie Wang, pós-doutorado na Penn State University e autor principal de um artigo que descreve a descoberta. “Foi totalmente inesperado encontrar estrelas antigas num Universo muito jovem. Os modelos padrão de cosmologia e formação de galáxias têm sido incrivelmente bem-sucedidos, mas estes objetos luminosos não se enquadram confortavelmente nessas teorias.”
Além de estrelas antigas, os dados do JWST também revelam a existência de buracos negros supermassivos inesperadamente grandes nas galáxias. “É muito confuso”, disse Joel Leja, professor assistente de astronomia e astrofísica na Penn State. “Você pode fazer com que isso se encaixe desconfortavelmente em nosso modelo atual do Universo, mas apenas se evocarmos alguma formação exótica e insanamente rápida no início dos tempos. Este é, sem dúvida, o conjunto de objetos mais peculiar e interessante que já vi na minha carreira.”
O que acontece com essas galáxias e estrelas antigas?
Como o JWST pode facilmente ver épocas extremamente antigas do tempo cósmico, esses resultados revelam como eram os primeiros objetos. Ainda não explica como estrelas tão antigas existem tão logo após o nascimento do Universo. Se elas realmente têm várias centenas de milhões de anos, então começaram a se formar extremamente cedo no tempo cósmico. É possível que tenham nascido muito antes do que os astrônomos pensam. Sua formação, por enquanto, está escondida da nossa visão. Então, é difícil saber exatamente quando o processo de nascimento das estrelas começou.
Esse é um desafio que as capacidades infravermelhas do JWST devem ajudar a explicar, especialmente à medida que os astrónomos as utilizam para investigar mais profundamente as primeiras épocas cósmicas. Mostra objetos que emitem luz não infravermelha (UV) esticada pela expansão do Universo para o infravermelho. Esta chamada luz “antiga” flui de numerosos objetos, incluindo estrelas, galáxias e os corações ativos das galáxias. Como observa Wang, não está claro quais partes da luz emitida vêm de diferentes objetos. Pode ser proveniente de galáxias primitivas que parecem inesperadamente antigas e mais massivas do que a nossa Via Láctea. Se assim for, então formaram-se muito antes do que os astrónomos suspeitam. Também é possível que a luz venha de galáxias de massa mais normal com buracos negros “supermassivos”. Esses monstros supermassivos poderiam ser cerca de cem a mil vezes mais massivos do que tal galáxia teria no Universo “recente”.
“Distinguir entre a luz do material que cai num buraco negro e a luz emitida pelas estrelas nestes objetos minúsculos e distantes é um desafio”, disse Wang. “Essa incapacidade de perceber a diferença no conjunto de dados atual deixa amplo espaço para interpretação desses objetos intrigantes. Honestamente, é emocionante ter tanto desse mistério para descobrir.”
Mais sobre aqueles buracos negros supermassivos inesperadamente grandes e iniciais
Se a luz que o JWST detecta vem de regiões ao redor de buracos negros supermassivos, então você tem que pensar sobre o porquê de eles serem tão brilhantes tão cedo na história. Como eles são luminosos em infravermelho, isso significa que as emissões originais foram em luz UV. E o brilho significa que há muita atividade acontecendo para emitir a luz. Isso implica muito mais massa no SMBH central do que o esperado. E, de acordo com o coautor Joel Leja, é confuso porque esses objetos não parecem se encaixar nos modelos existentes do Universo primitivo.
“Normalmente, buracos negros supermassivos estão emparelhados com galáxias”, disse ele. “Eles crescem juntos e passam por todas as principais experiências de vida juntos. Mas aqui temos um buraco negro adulto totalmente formado vivendo dentro do que deveria ser uma galáxia bebê. Isso realmente não faz sentido, porque essas coisas deveriam crescer juntas, ou pelo menos foi o que pensávamos.”
Precisamos de mais dados sobre estrelas antigas e galáxias bebês
Por galáxias bebês, explicou Leja, esses sistemas têm apenas algumas centenas de anos-luz de diâmetro. Em contraste, a nossa Via Láctea tem cerca de 100.000 anos-luz de diâmetro (mais ou menos). No entanto, essas pequenas galáxias contêm aproximadamente o mesmo número de estrelas que a Via Láctea – entre 10 mil milhões e um bilião de estrelas. “Estas primeiras galáxias seriam tão densas com estrelas – estrelas que devem ter-se formado de uma forma que nunca vimos, sob condições que nunca esperaríamos durante um período em que nunca esperávamos vê-las”, disse ele. “E por alguma razão, o Universo parou de produzir objetos como estes depois de apenas alguns bilhões de anos. Eles são exclusivos do Universo primordial.”
Claramente, o JWST precisará procurar mais para ajudar a explicar esses objetos anômalos no Universo infantil. Em particular, os astrónomos vão querer saber mais sobre como as estrelas antigas apareceram tão cedo na história. Observações futuras deverão fornecer uma visão espectral mais profunda e mais longa de todos estes objetos. Isso permitirá aos astrónomos diferenciar a luz das estrelas e a luz das regiões em torno dos buracos negros supermassivos. Cada um desses objetos tem sua própria “impressão digital” de luz específica que diz aos astrônomos o que é. As respostas que obtiverem irão ajudá-los a compreender não só a evolução das primeiras estrelas e das suas galáxias, mas também as questões persistentes que rodeiam as origens e o crescimento dos buracos negros supermassivos tão cedo no tempo cósmico.
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