Um dos principais objetivos do Telescópio Espacial James Webb (JWST) tem como objetivo estudar a formação e evolução das primeiras galáxias do Universo, que surgiram há mais de 13 mil milhões de anos. Para este fim, os cientistas devem identificar galáxias de diferentes épocas cosmológicas para explorar como as suas propriedades mudaram ao longo do tempo. Isto, por sua vez, requer técnicas de datação precisas para que os astrónomos sejam capazes de determinar quando (na história do Universo) existiu uma galáxia observada. A chave é medir o desvio para o vermelho do objeto, que indica há quanto tempo a sua luz viaja pelo espaço.
Este é o propósito do Pesquisa Científica de Liberação Antecipada da Evolução Cósmica (CEERS), um grupo de pesquisa colaborativo que analisa Webb dados para aprender mais sobre a evolução galáctica. Estas galáxias são conhecidas como “alto redshift”, o que significa que as suas emissões de luz são desviadas para o vermelho até ao espectro infravermelho. Galáxias que existiram ca. 13 mil milhões de anos atrás só pode ser observado no espectro do infravermelho próximo, o que agora é possível graças ao estudo de Webb Câmera infravermelha próxima (NIRCam). Mesmo assim, obter medições precisas do desvio para o vermelho de galáxias tão distantes é muito complicado e requer técnicas avançadas.
Ao observar galáxias distantes, os astrónomos analisarão a sua luz utilizando um espectrómetro – um dispositivo que decompõe a luz nos seus respetivos comprimentos de onda – para medir o desvio para o vermelho. Em essência, o redshift determina há quanto tempo a luz viaja pelo espaço para chegar até nós. Consistente com a Teoria da Relatividade Especial de Einstein, sabemos que a velocidade da luz é constante, independentemente do movimento do observador ou da fonte. No entanto, como o espaço entre a fonte e o observador está em constante expansão, o comprimento de onda da luz é alongado, fazendo com que ela se desloque em direção à extremidade vermelha do espectro (daí o termo “desvio para o vermelho”).
Ao obter medições precisas do desvio para o vermelho de uma galáxia, os astrónomos podem colocá-lo no contexto da história cósmica. Se uma galáxia tem um valor redshirt de 6 (z = 6), os astrónomos concluirão que a sua luz viaja pelo espaço há cerca de 12,7 mil milhões de anos. Isto significa que a galáxia que estão a observar tem a mesma aparência que teria há quase 13 mil milhões de anos. Obter estes valores não é fácil, mas os astrónomos passaram a contar com várias técnicas para o tornar mais fácil. Micaela Bagley, pós-doutoranda na Universidade do Texas em Austin, é membro do grupo de investigação CEERS e é responsável pelo processamento de todas as imagens captadas pelo Câmera infravermelha próxima (NIRCam).
Como ele explicou em uma recente NASA entrevistaduas técnicas envolvem medir linhas de emissão e usando uma “quebra” no espectro galáctico – mudanças abruptas na intensidade da luz em comprimentos de onda específicos. Uma quebra comum na qual os astrônomos confiam é a quebra espectral do hidrogênio neutro (ou o Pausa Lyman), que corresponde à quantidade de energia que pode absorver antes de se tornar ionizado. Da mesma forma, ocorre a ruptura de Balmer, onde os elétrons ficam completamente ionizados diretamente do segundo nível de energia de um átomo de hidrogênio. Galáxias que mostram essas duas quebras são chamadas de galáxias de quebra dupla.
Como os astrônomos conhecem o comprimento de onda dessas quebras, eles podem mirar galáxias a certas distâncias procurando por quebras com desvio para o vermelho à direita. Algumas das primeiras imagens que Webb tirou eram de valores altos de desvio para o vermelho com quebra dupla (z = 7), o que significa que existiam quando o Universo tinha menos de um bilhão de anos (cerca de 13 bilhões de anos atrás). No entanto, estas galáxias eram muito mais brilhantes e maiores do que o esperado, o que não se enquadrava bem nos modelos cosmológicos prevalecentes. Isto ilustra uma falha no método de quebra dupla, que é ótimo para encontrar galáxias, mas pode introduzir distorções nos dados. Mas, como disse Bagley, é aqui que o instrumento NIRCam se torna útil:
“Tiramos imagens usando múltiplos filtros para coletar a luz do objeto em diversas cores diferentes. Quando medimos a fotometria de uma galáxia, ou o quão brilhante ela é em uma imagem, estamos medindo a média do brilho do objeto em toda a faixa de comprimentos de onda transmitidos pelo filtro. Podemos observar uma galáxia com os filtros de imagem de banda larga do NIRCam, mas há muitas informações detalhadas escondidas em cada medição para cada 0,3–1,0 mícron de cobertura de comprimento de onda. No entanto, podemos começar a restringir a forma do espectro de uma galáxia.”
A forma do espectro de uma galáxia é afetada por diversas propriedades, incluindo o número de estrelas que se formam dentro dela, o quão empoeirada ela é e o quanto sua luz foi desviada para o vermelho. O brilho medido da galáxia é então comparado em cada filtro com o que os modelos de galáxias prevêem, abrangendo uma gama de propriedades em uma faixa de redshifts. Com base em quão bem o modelo se ajusta aos dados, os astrónomos podem determinar que a galáxia se encontra num determinado “momento da história”. Este processo analítico, onde é encontrado um redshift de “melhor ajuste”, é conhecido como redshift fotométrico.
Em julho de 2022, equipes do CEERS Survey usaram imagens NIRCam para identificar duas galáxias anteriormente não detectadas com redshifts fotométricos maiores que z = 11, correspondendo a mais de 13,4 bilhões de anos atrás. Infelizmente, as medições fotométricas do redshift das galáxias também estão sujeitas a um certo grau de incerteza. Como Bagley explicou, os astrônomos podem ser capazes de detectar uma quebra espectral em um filtro, mas não o comprimento de onda preciso da quebra:
“Embora possamos estimar o desvio para o vermelho mais adequado com base na modelagem da fotometria, a distribuição de probabilidade resultante é frequentemente ampla. Além disso, galáxias com diferentes redshifts podem ter cores semelhantes em filtros de banda larga, tornando difícil distinguir seus redshifts com base apenas na fotometria. Por exemplo, galáxias vermelhas e poeirentas com redshifts inferiores a 5 (ou quando o Universo tinha 1,1 mil milhões de anos ou mais) e estrelas frias na nossa própria galáxia podem por vezes imitar as mesmas cores de uma galáxia com elevado redshift. Portanto, consideramos todas as galáxias selecionadas com base em seus redshifts fotométricos como candidatas a altos redshifts até que possamos obter um redshift mais preciso.
Para resolver isso, os astrônomos tentarão restringir o desvio para o vermelho de uma galáxia obtendo um espectro, que é onde Webbde Espectrógrafo de infravermelho próximo (NIRSpec) entra. Os astrônomos podem melhorar seus cálculos da distribuição de probabilidade de desvio para o vermelho medindo o brilho percebido (fotometria) de uma galáxia em comprimentos de onda cada vez mais finos. À medida que passam de filtros de banda larga para filtros mais estreitos até um espectro, a distribuição se estreita até que uma medição de redshift muito precisa seja obtida, conhecida como redshift espectroscópico.
Em fevereiro de 2023, a equipe do CEERS usou o NIRSpec para obter redshifts espectroscópicos precisos em dois candidatos de alto redshift previamente identificados. Uma delas foi a Galáxia de Maisie, que teve um desvio para o vermelho confirmado de z = 11,4, correspondendo a uma distância de 13,4 bilhões de anos-luz (quando o Universo tinha 390 milhões de anos). Mas quando outra equipa de astrónomos analisou as medições do desvio para o vermelho obtidas pelo Webbeles determinaram que a Galáxia de Maisie tinha um desvio para o vermelho de z = 4,9 – correspondendo a uma distância de pouco mais de 12 mil milhões de anos-luz (cerca de 1,2 mil milhões de anos após o Big Bang).
“Mesmo os casos em que descobrimos que uma candidata com alto redshift é na verdade uma galáxia com menor redshift podem ser muito emocionantes”, disse Bagley. “Eles nos permitem aprender mais sobre as condições nas galáxias e a maneira como essas condições afetam sua fotometria, para melhorar nossos modelos de espectros de galáxias e para restringir a evolução das galáxias em todos os desvios para o vermelho. No entanto, eles também destacam a necessidade de obter espectros para confirmar candidatos com alto desvio para o vermelho.”
Claramente, observar objetos a distâncias cosmológicas e restringir as suas propriedades não é uma tarefa fácil. Mas com instrumentos melhorados e os métodos sofisticados que eles permitem, as nossas medições do cosmos estão a melhorar rapidamente. Isto, por sua vez, permitirá aos astrónomos resolver os maiores mistérios cosmológicos do nosso tempo. Estes incluem a existência de matéria escura e energia escura e a discrepância entre as medições de distância para determinar a taxa de expansão cósmica – também conhecida como. o Tensão Hubble. Lentamente, mas com segurança, estamos cada vez mais perto de compreender como tudo no nosso Universo se encaixa!
Leitura adicional: NASA
