Quando o Telescópio Espacial James Webb foi lançado no final de 2021, esperávamos imagens impressionantes e resultados científicos esclarecedores. Até agora, o poderoso telescópio espacial correspondeu às nossas expectativas. O JWST nos mostrou coisas sobre o Universo primitivo que nunca previmos.
Alguns desses resultados estão forçando uma reescrita dos livros didáticos de astronomia.
Os livros didáticos são atualizados regularmente à medida que novas evidências avançam no processo científico. Mas raramente novas evidências chegam na velocidade com que o JWST as apresenta. Os capítulos sobre o Universo Primitivo precisam de uma atualização significativa.
No recente 2024 Instituto Internacional de Ciências Espaciais (ISSI) Breakthrough Workshop em Berna, Suíça, um grupo de cientistas resumiu alguns dos resultados do telescópio até agora. O trabalho deles está em um novo artigo intitulado “Os primeiros bilhões de anos, de acordo com o JWST.” A lista de autores é longa, e esses autores são rápidos em apontar que um grupo ainda maior de cientistas internacionais desempenhou um papel. É necessária uma comunidade científica internacional para usar as observações do JWST e avançar na “compreensão coletiva da evolução do Universo Primitivo”, como escrevem os autores.
O Universo Primitivo é um dos principais alvos científicos do JWST. As suas capacidades infravermelhas permitem-lhe ver a luz de galáxias antigas com maior acuidade do que qualquer outro telescópio. O telescópio foi projetado para abordar diretamente questões confusas sobre o Universo com alto desvio para o vermelho.
As três questões gerais a seguir são questões fundamentais na cosmologia que o JWST está abordando.
Quais são as propriedades físicas das primeiras galáxias?
O Universo primordial e as suas transformações são fundamentais para a nossa compreensão do Universo que nos rodeia hoje. As galáxias estavam na sua infância, as estrelas estavam a formar-se e os buracos negros estavam a formar-se e a tornar-se mais massivos.
O Telescópio Espacial Hubble foi limitado a observações em torno de z=11. O JWST deixou essa fronteira de lado. Suas atuais observações de alto desvio para o vermelho atingiram z = 14,32. Os astrônomos pensam que o JWST eventualmente observará galáxias em z=20.
As primeiras centenas de milhões de anos após o Big Bang são chamadas de Amanhecer Cósmico. O JWST nos mostrou que as galáxias antigas durante a Aurora Cósmica eram muito mais luminosas e, portanto, maiores do que esperávamos. A galáxia que o telescópio encontrou em z=14,32, chamada JADES-GS-z14-0, tem várias centenas de milhões de massas solares. “Isto levanta a questão: como pode a natureza criar uma galáxia tão brilhante, massiva e grande em menos de 300 milhões de anos?” cientistas envolvidos com Pesquisa Extragaláctica Profunda Avançada JWST (JADES) disse em um Postagem da NASA.
Também nos mostrou que tinham formatos diferentes, que continham mais poeira do que o esperado e que havia oxigênio. A presença de oxigênio indica que gerações de estrelas já viveram e morreram. “A presença de oxigénio tão cedo na vida desta galáxia é uma surpresa e sugere que múltiplas gerações de estrelas muito massivas já tinham vivido as suas vidas antes de observarmos a galáxia”, escreveram os investigadores no post.
“Todas estas observações, em conjunto, dizem-nos que JADES-GS-z14-0 não é como os tipos de galáxias que foram previstas por modelos teóricos e simulações de computador para existirem no Universo muito primitivo”, continuaram.
Qual é a natureza dos núcleos galácticos ativos nas primeiras galáxias?
Núcleos Galácticos Ativos (AGN) são Buracos Negros Supermassivos (SMBHs) que estão ativamente acumulando material e emitindo jatos e ventos.
Quasares são um subtipo de AGN extremamente luminosos e distantes, e as observações de quasares mostram que SMBHs estavam presentes nos centros das galáxias já 700 milhões de anos após o Big Bang. Mas suas origens eram um mistério. Os astrofísicos pensam que estes primeiros SMBHs foram criados a partir de “sementes” de buracos negros que eram “leves” ou “pesadas”. As sementes leves tinham cerca de 10 a 100 massas solares e eram remanescentes estelares. Sementes pesadas tinham 10 a 105 massas solares e vieram do colapso direto de nuvens de gás.
A capacidade do JWST de olhar efetivamente para trás no tempo permitiu-lhe detectar um antigo buraco negro com cerca de z = 10,3 que contém entre 107 para 108 massas solares. O Telescópio Espacial Hubble não permitiu que os astrônomos medissem a massa estelar de galáxias inteiras da mesma forma que o JWST faz. Graças ao poder do JWST, os astrónomos sabem que o buraco negro em z=10,3 tem aproximadamente a mesma massa que a massa estelar de toda a sua galáxia. Isto contrasta fortemente com as galáxias modernas, onde a massa do buraco negro é apenas cerca de 0,1% de toda a massa estelar.
Um buraco negro tão massivo, existente apenas cerca de 500 milhões de anos após o Big Bang, é a prova de que os primeiros BHs se originaram de sementes pesadas. Na verdade, isso está de acordo com as previsões teóricas. Portanto, os autores dos livros didáticos estão agora em condições de eliminar a incerteza.
Quando e como o universo primitivo se tornou ionizado?
“Sabemos que a reionização do hidrogénio aconteceu, mas exactamente quando e como aconteceu tem sido uma grande peça que faltava na nossa compreensão dos primeiros mil milhões de anos.”
Extraído de “Os primeiros bilhões de anos de acordo com o JWST”.
Sabemos que no Universo primitivo, o hidrogénio tornou-se ionizado durante o Época da Reionização (EoR). A luz das primeiras estrelas, dos buracos negros e das galáxias aqueceu e reionizou o gás hidrogênio no meio intergaláctico (IGM), removendo a névoa densa, quente e primordial que impregnava o Universo primordial.
As estrelas jovens foram a principal fonte de luz para a reionização. Eles criaram bolhas em expansão de hidrogênio ionizado que se sobrepunham. Eventualmente, as bolhas se expandiram até que todo o Universo foi ionizado.
Esta foi uma fase crítica no desenvolvimento do Universo. Permitiu que futuras galáxias, especialmente galáxias anãs, resfriassem seu gás e formassem estrelas. Mas os cientistas não têm certeza de como os buracos negros, estrelas e galáxias contribuíram para a reionização ou o período exato em que ela ocorreu. “Sabemos que a reionização do hidrogénio aconteceu, mas exactamente quando e como aconteceu tem sido uma grande peça que faltava na nossa compreensão dos primeiros mil milhões de anos”, escrevem os autores do novo artigo.
Os astrônomos sabiam que a reionização terminou cerca de um bilhão de anos após o Big Bang, aproximadamente no desvio para o vermelho z=5-6. Mas antes do JWST, era difícil medir as propriedades da luz UV que o causava. Com as capacidades espectroscópicas avançadas do JWST, os astrônomos reduziram os parâmetros de reionização. “Encontramos galáxias confirmadas espectroscopicamente até z = 13,2, o que implica que a reionização pode ter começado apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang”, escrevem os autores.
Os resultados do JWST também mostram que a acreção de buracos negros e seus AGN provavelmente não contribuiu com mais de 25% da luz UV que causou a reionização.
Esses resultados exigirão alguma reescrita dos capítulos dos livros didáticos sobre EOR, embora ainda haja dúvidas sobre o assunto. “Ainda há um debate significativo sobre as fontes primárias de reionização, em particular, a contribuição das galáxias ténues”, escrevem os autores. Embora o JWST seja extraordinariamente poderoso, alguns objetos distantes e fracos estão fora do seu alcance.
O JWST ainda não cumpriu metade da sua missão e já transformou a nossa compreensão dos primeiros mil milhões de anos do Universo. Foi construído para abordar questões em torno da Época da Reionização, dos primeiros buracos negros e das primeiras galáxias e estrelas. Definitivamente há muito mais por vir. Quem sabe qual será a soma total de suas contribuições?
Como escritor de astronomia, sou extremamente grato a todas as pessoas que tornaram o JWST realidade. Demorou muito para ser construída, custou muito mais do que o esperado e quase foi cancelada pelo Congresso. Seu caminho perigoso até a conclusão me deixa ainda mais grato por cobrir seus resultados. Os pesquisadores que usam dados do JWST também estão claramente gratos.
“Dedicamos este artigo às 20.000 pessoas que passaram décadas para tornar o JWST uma máquina de descoberta incrível”, escrevem eles.
Fonte: InfoMoney
