O arco Cosmic Gems é como observado pelo JWST. Crédito: ESA/Webb, NASA & CSA, L. Bradley (STScI), A. Adamo (Universidade de Estocolmo) e a colaboração Cosmic Spring.
A história de como as estrelas e galáxias surgiram e evoluíram até os dias atuais continua sendo uma das questões astrofísicas mais desafiadoras a serem resolvidas, mas novas pesquisas nos aproximam de entendê-la.
Um estudo internacional recente liderado pela Dra. Angela Adamo na Universidade de Estocolmo revelou novos insights sobre galáxias jovens da Época da Reionização. Utilizando o Telescópio Espacial James Webb (JWST), os pesquisadores estudaram o arco galáctico Cosmic Gems (SPT0615-JD), confirmando que sua luz se originou 460 milhões de anos após a Big Bang. O que torna esta galáxia única é que ela é ampliada por um efeito chamado lente gravitacional, que não foi observado em outras galáxias formadas durante essa idade. A ampliação do arco Cosmic Gems permitiu que a equipe estudasse as estruturas menores dentro de uma galáxia infantil pela primeira vez.
Os pesquisadores descobriram que o arco Cosmic Gems abriga cinco jovens aglomerados estelares massivos nos quais estrelas são formadas. “A surpresa e o espanto foram incríveis quando abrimos as imagens do JWST pela primeira vez”, diz Adamo.
O Mistério do Universo Primitivo
A Época da Reionização (EoR) é um momento crucial durante a evolução do Universo, que ocorreu dentro do primeiro bilhão de anos após o Big Bang. Durante esse período, o Universo passou por uma transição importante. Em seus primeiros dias, ele era preenchido com gás hidrogênio neutro, mas isso mudou durante a EoR. A matéria do Universo passou de sua forma neutra para ser totalmente ionizada; os átomos foram despojados de seus elétrons. Acredita-se que as primeiras galáxias do Universo tenham impulsionado essa transformação.
Para estudar as primeiras galáxias, é preciso olhar para longe no espaço. A luz viaja a uma velocidade finita. Ao observar objetos a grandes distâncias, podemos “olhar para trás no tempo”, pois vemos o estado do objeto no momento em que a luz foi emitida por ele. No entanto, é difícil observar pequenos detalhes de um objeto a distâncias grandes o suficiente para estudar o Universo primitivo.
Um zoom nos aglomerados de estrelas espelhados no arco Cosmic Gems. Meio: uma versão negativa dos aglomerados de estrelas, onde os diferentes aglomerados de estrelas são marcados. Direita: os aglomerados de estrelas “atrás” da lente gravitacional. Esta imagem foi calculada usando simulações de computador. Crédito: ESA/Webb, NASA e CSA, L. Bradley (STScI), A. Adamo (Universidade de Estocolmo) e a colaboração Cosmic Spring
Um método para observar detalhes mais finos em uma galáxia a uma grande distância é através do uso de lentes gravitacionais. As lentes gravitacionais ocorrem quando um corpo celeste de alta massa curva o caminho da luz ao seu redor devido à sua forte gravidade. Quando a luz emitida por uma fonte passa pela lente gravitacional, ela é distorcida semelhante ao efeito de uma lupa. Dessa forma, os astrônomos podem observar pequenos detalhes em objetos distantes.
As galáxias constroem lentamente sua população estelar por meio de um processo conhecido como formação de estrelas. Em galáxias locais, vemos que uma grande fração de estrelas se forma em aglomerados estelares. Aglomerados estelares são grupos de estrelas mantidas juntas por forças gravitacionais. Aglomerados estelares podem ter tamanhos variados, onde alguns contêm apenas um pequeno número de estrelas e outros podem conter milhões. Aglomerados globulares são aglomerados estelares muito antigos onde estrelas foram formadas anteriormente, mas não mais. Como e onde os aglomerados globulares foram formados é um mistério de longa data.
Observações avançadas com JWST
Em um novo estudo publicado na revista científica Naturezaa equipe de astrônomos apresenta a descoberta de aglomerados de estrelas em uma galáxia cuja luz passou por uma lente gravitacional em seu caminho em direção à Terra. “Essa conquista só poderia ser possível graças às capacidades inigualáveis do JWST”, diz a Dra. Adélaïde Claeyssens da Universidade de Estocolmo e coautora da publicação. A galáxia SPT0615-JD, também conhecida como Arco das Joias Cósmicas, está localizada no Universo distante. A luz que atingiu a Terra nos dias atuais foi emitida por esta galáxia apenas 460 milhões de anos após o Big Bang. Ao estudar este objeto, os astrônomos olham para trás 97% do tempo cósmico.
O poder da NIRCam e a descoberta de aglomerados estelares
“Devido às lentes gravitacionais, o Arco das Joias Cósmicas pôde ser resolvido em escalas pequenas o suficiente para estudar os objetos dentro dele”, acrescenta Claeyssens.
A equipe usou o instrumento Near Infrared Camera (NIRCam) a bordo do JWST para suas observações. A NIRCam é construída para tirar imagens de alta resolução na parte do infravermelho próximo do espectro de luz, na qual as primeiras estrelas e galáxias podem ser detectadas. Usando a alta resolução da NIRCam do JWST, as observações resultantes mostraram uma cadeia de pontos brilhantes espelhados de um lado para o outro. Foi descoberto que esses pontos eram cinco jovens aglomerados massivos de estrelas.
A importância da descoberta dos primeiros aglomerados estelares
Por meio da análise dos espectros de luz emitidos pela galáxia, foi possível determinar que os aglomerados estelares são gravitacionalmente ligados e têm uma densidade estelar três vezes maior do que os aglomerados estelares jovens típicos no Universo local. Também foi descoberto que os aglomerados foram formados recentemente, em 50 milhões de anos. Eles são muito massivos, embora muito menores do que os aglomerados globulares.
“Foi incrível ver as imagens do JWST do arco Cosmic Gems e perceber que estávamos olhando para aglomerados de estrelas em uma galáxia tão jovem. Observamos aglomerados globulares ao redor de galáxias locais, mas não sabemos quando e onde eles se formaram. As observações do arco Cosmic Gems abriram uma janela única para nós sobre as obras de galáxias infantis, bem como nos mostraram onde os aglomerados globulares se formaram”, diz Adamo. “Esses aglomerados terão tempo suficiente para relaxar e se tornarem aglomerados globulares, devido a eles serem formados em uma idade tão jovem do Universo”, ela acrescenta.
Compreendendo o Universo Primitivo
Por meio de estudos de aglomerados estelares em galáxias jovens nascidas logo após o Big Bang, é possível obter uma compreensão maior de como e onde os aglomerados globulares são formados. Como se acredita que as galáxias jovens conduzem a reionização durante a EoR, é crucial estudá-las em profundidade para obter conhecimento sobre o Universo primitivo. Usando as descobertas feitas pelos autores deste estudo, mais informações são adicionadas à nossa compreensão de como as estrelas nas primeiras galáxias nasceram e onde e como os aglomerados globulares são formados.
Olhando para a frente
No futuro, o grupo está planejando construir uma amostra maior de galáxias semelhantes. “Temos uma galáxia até agora, mas precisamos de muitas mais se quisermos criar demografias das populações de aglomerados se formando nas primeiras galáxias”, diz Adamo.
A equipe também tem um programa aprovado para o próximo ciclo de observações do JWST, onde estudarão a galáxia Cosmic Gems Arc e os aglomerados de estrelas recentemente descobertos em mais detalhes. “Observações espectroscópicas nos permitirão mapear espacialmente a taxa de formação de estrelas e a ionização fóton eficiência de produção ao longo da galáxia”, acrescenta o Dr. Larry Bradley, pesquisador principal do programa JWST e segundo autor deste artigo.
Referência: “Bound star clusters observed in a lensed galaxy 460 Myr after the Big Bang” por Angela Adamo, Larry D. Bradley, Eros Vanzella, Adélaïde Claeyssens, Brian Welch, Jose M. Diego, Guillaume Mahler, Masamune Oguri, Keren Sharon, Abdurro’uf, Tiger Yu-Yang Hsiao, Xinfeng Xu, Matteo Messa, Augusto E. Lassen, Erik Zackrisson, Gabriel Brammer, Dan Coe, Vasily Kokorev, Massimo Ricotti, Adi Zitrin, Seiji Fujimoto, Akio K. Inoue, Tom Resseguier, Jane R. Rigby, Yolanda Jiménez-Teja, Rogier A. Windhorst, Takuya Hashimoto e Yoichi Tamura, 24 de junho de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07703-7
Dra. Angela Adamo, Professora Associada do grupo Galaxy no Departamento de Astronomia da Universidade de Estocolmo, é a autora principal do artigo. Dra. Adélaïde Claeyssens é pesquisadora de Pós-doutorado no Departamento de Astronomia da Universidade de Estocolmo, e Erik Zackrisson, Professor Associado no Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Uppsala, são coautores do estudo.
