Pesquisadores usando o Telescópio Espacial James Webb investigaram a interação de um quasar com galáxias satélites, descobrindo insights críticos sobre o crescimento de galáxias do universo inicial, massa de buracos negros e evolução química. (Conceito do artista.) Crédito: SciTechDaily.com
Um grupo de pesquisa internacional utilizou o Telescópio Espacial James Webb para testemunhar a interação dramática entre um quasar dentro do sistema PJ308–21 e duas galáxias satélites massivas no universo distante
Esta pesquisa revelou detalhes significativos sobre a formação de galáxias, a massa e o crescimento de buracos negros supermassivos e as propriedades químicas desses corpos celestes, marcando um passo importante na compreensão da história cósmica.
Uma equipe global liderada pelo Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF) e composta por 34 institutos de pesquisa e universidades em todo o mundo utilizou o Espectrógrafo de Infravermelho Próximo (NIRSpec) a bordo do Telescópio Espacial James Webb (JWST) para testemunhar a interação dramática entre um quasar dentro do sistema PJ308–21 e duas galáxias satélites massivas no universo distante. As observações, conduzidas em setembro de 2022, revelaram detalhes sem precedentes e inspiradores, fornecendo novos insights sobre o crescimento de galáxias no universo primitivo. Os resultados foram apresentados durante a reunião da Sociedade Astronômica Europeia (EAS) de 2024 em Pádua (Itália) e publicados em 5 de julho em Astronomia e Astrofísica.
Revelando a dinâmica dos quasares e das galáxias
Observações deste quasar (já descrito pelos mesmos autores em outro estudo publicado em maio passado), um dos primeiros estudados com NIRSpec quando o universo tinha menos de um bilhão de anos (redshift z = 6,2342), revelaram dados de qualidade sensacional: o instrumento “capturou” o espectro do quasar com uma incerteza de menos de 1% por pixel. A galáxia hospedeira de PJ308–21 mostra condições de alta metalicidade e fotoionização típicas de um núcleo galáctico ativo (AGN), enquanto uma das galáxias satélites exibe baixa metalicidade (que se refere à abundância de elementos químicos mais pesados que hidrogênio e hélio) e fotoionização induzida pela formação de estrelas; uma metalicidade mais alta caracteriza a segunda galáxia satélite, que é parcialmente fotoionizada pelo quasar.
Mapa da linha de emissão de hidrogênio (em vermelho e azul) e oxigênio (em verde) no sistema PJ308-21, mostrado após mascarar a luz do quasar central (“QSO”). As diferentes cores da galáxia hospedeira do quasar e das galáxias companheiras neste mapa revelam as propriedades físicas do gás dentro delas. Crédito: Decarli/INAF/A&A 2024
Insights sobre a evolução cósmica
A descoberta permitiu aos astrônomos determinar a massa do supermassivo buraco negro no centro do sistema (cerca de 2 bilhões de massas solares). Também confirmou que tanto o quasar quanto as galáxias ao redor são altamente evoluídas em massa e enriquecimento de metais, e em crescimento constante. Isso tem implicações profundas para nossa compreensão da história cósmica e da evolução química das galáxias, destacando o impacto transformador desta pesquisa.
Avanços técnicos em observações espaciais
Roberto Decarli, pesquisador do INAF em Bolonha e primeiro autor do artigo, explica: “Nosso estudo revela que tanto os buracos negros no centro de quasares de alto desvio para o vermelho quanto as galáxias que os hospedam passam por um crescimento extremamente eficiente e tumultuado já no primeiro bilhão de anos da história cósmica, auxiliados pelo rico ambiente galáctico no qual essas fontes se formam.”
Os dados foram obtidos em setembro de 2022 como parte do Programa 1554, um dos nove projetos liderados pela Itália do primeiro ciclo de observação do JWST. Decarli lidera este programa para observar a fusão entre a galáxia que hospeda o quasar (PJ308-21) e duas de suas galáxias satélites.
Mapa de emissão de oxigênio ionizado no sistema PJ308-21, observado com o Telescópio Espacial James Webb. Cada quadro mostra uma faixa de velocidade diferente. Na animação, vemos a complexa estrutura tridimensional do sistema e a “dança cósmica” das galáxias satélites ao redor do quasar. Crédito: Decarli/INAF/A&A 2024
Avanços na astrofísica com o telescópio espacial James Webb
As observações foram realizadas no modo de espectroscopia de campo integral: para cada pixel da imagem, o espectro de toda a banda óptica (no quadro de repouso da fonte) pode ser observado, deslocado em direção ao infravermelho pela expansão do universo. Isso permite o estudo de vários traçadores de gás (linhas de emissão) usando uma abordagem 3D. Graças a essa técnica, a equipe liderada pelo INAF detectou emissões espacialmente estendidas de diferentes elementos, que foram usadas para estudar as propriedades do meio interestelar ionizado, incluindo a fonte e a dureza do campo de radiação fotoionizante, metalicidade, obscuração de poeira, densidade e temperatura de elétrons e taxa de formação de estrelas. Além disso, os pesquisadores detectaram marginalmente a emissão de luz estelar associada a fontes companheiras.
Federica Loiacono, astrofísica, pesquisadora e pós-doutoranda trabalhando no INAF, comenta entusiasticamente sobre os resultados: “Graças ao NIRSpec, pela primeira vez podemos estudar no sistema PJ308-21 a banda óptica, rica em dados diagnósticos preciosos sobre propriedades do gás perto do buraco negro na galáxia que hospeda o quasar e nas galáxias ao redor. Podemos ver, por exemplo, a emissão de átomos de hidrogênio e compará-la com os elementos químicos produzidos pelas estrelas para estabelecer o quão rico o gás nas galáxias é em metais. A experiência na redução e calibração desses dados, alguns dos primeiros coletados com o NIRSpec no modo de espectroscopia de campo integral, garantiu uma vantagem estratégica para a comunidade italiana no gerenciamento de dados semelhantes de outros programas.” Federica Loiacono é a pessoa de contato italiana para redução de dados do NIRSpec no INAF JWST Support Center.
Direções e implicações futuras
Ela acrescenta: “Graças à sensibilidade do Telescópio Espacial James Webb no infravermelho próximo e médio, foi possível estudar o espectro do quasar e das galáxias companheiras com precisão sem precedentes no universo distante. Somente a excelente ‘visão’ oferecida pelo JWST, com suas capacidades inigualáveis, pode garantir essas observações.” O trabalho representou uma verdadeira “montanha-russa emocional”, continua Decarli, “com a necessidade de desenvolver soluções inovadoras para superar as dificuldades iniciais na redução de dados.”
Este impacto transformador dos instrumentos de bordo do Telescópio Espacial James Webb ressalta seu papel crucial no avanço da pesquisa astrofísica: “Até alguns anos atrás, dados sobre o enriquecimento de metais (essenciais para entender a evolução química das galáxias) estavam quase além do nosso alcance, especialmente nessas distâncias. Agora podemos mapeá-los em detalhes com apenas algumas horas de observação, mesmo em galáxias observadas quando o universo estava em sua infância”, conclui Decarli.
Referência: “Uma fusão quasar-galáxia em z~6.2: Crescimento rápido do hospedeiro por meio da acreção de duas galáxias satélites massivas” por Roberto Decarli, Federica Loiacono, Emanuele Paolo Farina, Massimo Dotti, Alessandro Lupi, A. Romain Meyer, Marco Mignoli, Antonio Pensabene, A. Michael Strauss, Bram Venemans, Jinyi Yang, Fabian Walter e Julien Wolf, 2 de julho de 2024, Astronomia e Astrofísica.
DOI: 10.1051/0004-6361/202449239
