Pesquisadores investigaram três objetos misteriosos no universo primitivo. Aqui estão mostradas suas imagens coloridas, compostas de três bandas de filtro NIRCam a bordo do Telescópio Espacial James Webb. Eles são notavelmente compactos em comprimentos de onda vermelhos (o que lhes rendeu o termo “pequenos pontos vermelhos”), com alguma evidência de estrutura espacial em comprimentos de onda azuis. Crédito: Bingjie Wang/Penn State
NASA‘s Telescópio Espacial James Webb revelou objetos misteriosos no universo primitivo que desafiam as teorias atuais de galáxias e supermassivos buraco negro evolução.
Esses objetos contêm estrelas antigas e buracos negros massivos, muito maiores do que o esperado, sugerindo uma forma rápida e não convencional de formação inicial de galáxias. As descobertas destacam discrepâncias significativas com modelos existentes, e as propriedades únicas dos objetos indicam uma história cósmica inicial complexa.
Descoberta revolucionária no universo primitivo
Uma descoberta recente do Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA confirmou que objetos luminosos e muito vermelhos detectados anteriormente no universo primitivo desafiam ideias estabelecidas sobre as origens e a evolução das galáxias e seus buracos negros supermassivos.
Liderada por pesquisadores da Penn State e utilizando o instrumento NIRSpec no JWST como parte da pesquisa RUBIES, a equipe internacional identificou três objetos enigmáticos que datam de 600 a 800 milhões de anos após o Big Banguma época em que o universo tinha apenas 5% de sua idade atual. Eles anunciaram a descoberta em 27 de junho no periódico Cartas de revistas astrofísicas.
Os cientistas analisaram medições espectrais, ou intensidade de diferentes comprimentos de onda de luz emitidos pelos objetos. Sua análise encontrou assinaturas de estrelas “velhas”, com centenas de milhões de anos, muito mais velhas do que o esperado em um universo jovem.
O Telescópio Espacial James Webb (JWST) oferece uma janela para o passado distante do cosmos, capturando imagens das primeiras galáxias e estrelas do universo que se formaram há mais de 13,5 bilhões de anos. Crédito: NASA-GSFC, Adriana M. Gutierrez (CI Lab)
Descobertas inesperadas na evolução galáctica
Os pesquisadores disseram que também ficaram surpresos ao descobrir assinaturas de enormes buracos negros supermassivos nos mesmos objetos, estimando que eles sejam 100 a 1.000 vezes mais massivos do que o buraco negro supermassivo em nosso próprio via Láctea. Nenhuma dessas opções é esperada nos modelos atuais de crescimento de galáxias e formação de buracos negros supermassivos, que esperam que galáxias e seus buracos negros cresçam juntos ao longo de bilhões de anos de história cósmica.
“Confirmamos que estes parecem estar repletos de estrelas antigas — centenas de milhões de anos — em um universo que tem apenas 600-800 milhões de anos. Notavelmente, esses objetos detêm o recorde das primeiras assinaturas de luz estelar antiga”, disse Bingjie Wang, um acadêmico de pós-doutorado na Penn State e autor principal do artigo. “Foi totalmente inesperado encontrar estrelas antigas em um universo muito jovem. Os modelos padrão de cosmologia e formação de galáxias têm sido incrivelmente bem-sucedidos, no entanto, esses objetos luminosos não se encaixam confortavelmente nessas teorias.”
Os pesquisadores avistaram os objetos massivos pela primeira vez em julho de 2022, quando o conjunto de dados inicial foi lançado pelo JWST. A equipe publicou um artigo em Natureza vários meses depois anunciando a existência dos objetos.
Desafios na observação cósmica
Na época, os pesquisadores suspeitaram que os objetos eram galáxias, mas seguiram sua análise coletando espectros para entender melhor as verdadeiras distâncias dos objetos, bem como as fontes que alimentavam sua imensa luz.
Os pesquisadores então usaram os novos dados para desenhar uma imagem mais clara de como as galáxias pareciam e o que havia dentro delas. A equipe não apenas confirmou que os objetos eram de fato galáxias perto do início dos tempos, mas também encontrou evidências de buracos negros supermassivos surpreendentemente grandes e uma população surpreendentemente antiga de estrelas.
“É muito confuso”, disse Joel Leja, professor assistente de astronomia e astrofísica na Penn State e coautor de ambos os artigos. “Você pode fazer isso se encaixar 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 JWST foi projetado para observar fenômenos que ocorreram logo após o Big Bang, usando suas capacidades avançadas de infravermelho para espiar através da poeira cósmica e descobrir estruturas ocultas no espaço. Crédito: Northrop Grumman
Mistérios das Estruturas Galácticas Antigas
O JWST é equipado com instrumentos de detecção infravermelha capazes de detectar luz emitida pelas estrelas e galáxias mais antigas. Essencialmente, o telescópio permite que os cientistas vejam de volta no tempo aproximadamente 13,5 bilhões de anos, perto do início do universo como o conhecemos, disse Leja.
Um desafio para analisar a luz antiga é que pode ser difícil diferenciar entre os tipos de objetos que poderiam ter emitido a luz. No caso desses objetos antigos, eles têm características claras de buracos negros supermassivos e estrelas antigas. No entanto, Wang explicou, ainda não está claro quanta luz observada vem de cada um — o que significa que essas podem ser galáxias antigas que são inesperadamente antigas e mais massivas até do que a nossa Via Láctea, se formando muito antes do que os modelos preveem, ou podem ser galáxias de massa mais normal com buracos negros “supermassivos”, aproximadamente 100 a 1.000 vezes mais massivas do que tal galáxia teria hoje.
“Distinguir entre a luz do material caindo em um buraco negro e a luz emitida por estrelas nesses objetos minúsculos e distantes é desafiador”, disse Wang. “Essa incapacidade de dizer a diferença no conjunto de dados atual deixa amplo espaço para interpretação desses objetos intrigantes. Honestamente, é emocionante ter tanto desse mistério para descobrir.”
Além de sua massa e idade inexplicáveis, se parte da luz é de fato de buracos negros supermassivos, então eles também não são buracos negros supermassivos normais. Eles produzem muito mais fótons ultravioleta do que o esperado, e objetos semelhantes estudados com outros instrumentos não têm as assinaturas características de buracos negros supermassivos, como poeira quente e emissão de raios X brilhantes. Mas talvez a coisa mais surpreendente, disseram os pesquisadores, é o quão massivos eles parecem ser.
“Normalmente buracos negros supermassivos são pareados com galáxias”, disse Leja. “Eles crescem juntos e passam por todas as suas 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 é o que pensávamos.”
Os pesquisadores também ficaram perplexos com os tamanhos incrivelmente pequenos desses sistemas, com apenas algumas centenas de anos-luz de diâmetro, aproximadamente 1.000 vezes menores que a nossa Via Láctea. As estrelas são aproximadamente tão numerosas quanto em nossa própria galáxia, a Via Láctea — com algo entre 10 bilhões e 1 trilhão de estrelas — mas contidas em um volume 1.000 vezes menor que a Via Láctea.
Leja explicou que se você pegasse a Via Láctea e a comprimisse para o tamanho das galáxias que eles encontraram, a estrela mais próxima estaria quase em nosso sistema solar. O buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea, a cerca de 26.000 anos-luz de distância, estaria a apenas 26 anos-luz de distância da Terra e seria visível no céu como um pilar gigante de luz.
“Essas galáxias primitivas 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 esperaríamos vê-las”, disse Leja. “E por alguma razão, o universo parou de fazer objetos como esses depois de apenas alguns bilhões de anos. Eles são exclusivos do universo primitivo.”
Os pesquisadores esperam dar continuidade com mais observações, o que, segundo eles, pode ajudar a explicar alguns dos mistérios dos objetos. Eles planejam obter espectros mais profundos apontando o telescópio para os objetos por períodos prolongados de tempo, o que ajudará a desembaraçar a emissão das estrelas e do potencial buraco negro supermassivo, identificando as assinaturas de absorção específicas que estariam presentes em cada um.
“Há outra maneira de termos um avanço, e essa é a ideia certa”, disse Leja. “Temos todas essas peças do quebra-cabeça e elas só se encaixam se ignorarmos o fato de que algumas delas estão quebrando. Esse problema é passível de um golpe de gênio que até agora nos escapou, a todos os nossos colaboradores e a toda a comunidade científica.”
Referência: “RUBIES: Evolved Stellar Populations with Extended Formation Histories at z ∼ 7–8 in Candidate Massive Galaxies Identified with JWST/NIRSpec” por Bingjie Wang, 冰洁 王, Joel Leja, Anna de Graaff, Gabriel B. Brammer, Andrea Weibel, Pieter van Dokkum, Josephine FW Baggen, Katherine A. Suess, Jenny E. Greene, Rachel Bezanson, Nikko J. Cleri, Michaela Hirschmann, Ivo Labbé, Jorryt Matthee, Ian McConachie, Rohan P. Naidu, Erica Nelson, Pascal A. Oesch, David J. Setton e Christina C. Williams, 26 de junho de 2024, Cartas do Jornal Astrofísico.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad55f7
Wang e Leja receberam financiamento do programa General Observers da NASA. A pesquisa também foi apoiada pelo International Space Science Institute em Berna. O trabalho é baseado em parte em observações feitas com o Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA. Os cálculos para a pesquisa foram realizados no supercomputador Roar do Institute for Computational and Data Sciences da Penn State.
Outros coautores do artigo são Anna de Graaff do Max-Planck-Institut für Astronomie na Alemanha; Gabriel Brammer do Cosmic Dawn Center e do Niels Bohr Institute; Andrea Weibel e Pascal Oesch da Universidade de Genebra; Nikko Cleri, Michaela Hirschmann, Pieter van Dokkum e Rohan Naidu da Universidade de Yale; Ivo Labbé da Universidade de Stanford; Jorryt Matthee e Jenny Greene da Universidade de Princeton; Ian McConachie e Rachel Bezanson da Universidade de Pittsburgh; Josephine Baggen da Universidade Texas A&M; Katherine Suess do Observatório de Sauverny na Suíça; David Setton do Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do Instituto de Tecnologia de Massachusetts; Erica Nelson da Universidade do Colorado; Christina Williams do Laboratório Nacional de Pesquisa em Astronomia Óptica e Infravermelha da Fundação Nacional de Ciências dos EUA e da Universidade do Arizona.
