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A história de como as estrelas e galáxias surgiram e evoluíram até aos dias de hoje continua a ser uma das questões astrofísicas mais desafiantes a resolver, mas novas pesquisas aproximam-nos da sua compreensão.
Num novo estudo realizado por uma equipa internacional liderada pela Dra. Angela Adamo, da Universidade de Estocolmo, foram reveladas novas informações sobre galáxias jovens durante a Época da Reionização. Observações com o Telescópio Espacial James Webb (JWST) do arco da galáxia Cosmic Gems (SPT0615-JD) confirmaram que a luz da galáxia foi emitida 460 milhões de anos após o big bang. O que torna esta galáxia única é que ela é ampliada através de um efeito chamado lente gravitacional, que não foi observado em outras galáxias formadas naquela época. A ampliação do arco das Joias Cósmicas permitiu à equipe estudar pela primeira vez as estruturas menores dentro de uma galáxia infantil. Os autores descobriram que o arco das Joias Cósmicas abriga cinco jovens aglomerados estelares massivos nos quais as 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 nos primeiros bilhões de anos após o Big Bang. Durante este período, o Universo passou por uma importante transição. Nos seus primeiros dias, era preenchido com gás hidrogênio neutro, mas isso mudou durante a EoR. A matéria do Universo passou de sua forma neutra para totalmente ionizada; os átomos foram arrancados de seus elétrons. Acredita-se que as primeiras galáxias do Universo tenham impulsionado esta 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 suficientemente grandes para estudar o Universo primordial. Um método para observar detalhes mais sutis em uma galáxia a grande distância é através do uso de lentes gravitacionais. A lente gravitacional ocorre quando um corpo celeste de grande massa curva o caminho da luz ao seu redor devido à sua forte gravidade. Quando a luz emitida por uma fonte passa pelas lentes gravitacionais ela é distorcida semelhante ao efeito de uma lupa. Desta forma, os astrônomos podem observar pequenos detalhes em objetos distantes.
As galáxias constroem lentamente a sua população estelar através de um processo conhecido como formação estelar. Nas galáxias locais vemos que uma grande fração de estrelas se forma em aglomerados estelares. Aglomerados de estrelas são grupos de estrelas mantidas unidas por forças gravitacionais. Os aglomerados de estrelas podem ter tamanhos variados, onde alguns contêm apenas uma pequena quantidade de estrelas e outros que podem conter milhões. Os aglomerados globulares são aglomerados estelares muito antigos onde as estrelas já foram formadas, mas não mais. Como e onde os aglomerados globulares se formaram é um mistério de longa data.
Novos insights sobre a formação das primeiras estrelas e galáxias
Em um novo estudo publicado na revista científica Natureza, a 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 incomparáveis do JWST”, diz a Dra. Adélaïde Claeyssens, da Universidade de Estocolmo e coautora da publicação. A galáxia SPT0615-JD, também conhecida como Arco das Gemas Cósmicas, está localizada no Universo distante. A luz que atingiu a Terra atualmente foi emitida por esta galáxia apenas 460 milhões de anos após o Big Bang. Ao estudar este objeto, os astrónomos olham para trás 97% do tempo cósmico.
“Devido às lentes gravitacionais, o Arco das Gemas Cósmicas pode 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. O NIRCam é um instrumento construído para obter 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 do JWST NIRCam, 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 de estrelas massivas.
Através da análise dos espectros de luz emitidos pela galáxia, foi possível determinar que os aglomerados estelares estão ligados gravitacionalmente e têm uma densidade estelar três vezes maior do que os típicos aglomerados de estrelas jovens no Universo local. Verificou-se também que os aglomerados se formaram recentemente, num período de 50 milhões de anos. Eles são muito massivos, embora muito menores que os aglomerados globulares. “Foi incrível ver as imagens JWST do arco Cosmic Gems e perceber que estávamos olhando para aglomerados de estrelas em uma galáxia tão jovem. Observamos aglomerados globulares em torno de galáxias locais, mas não sabemos quando e onde eles se formaram. O As observações do arco das Joias Cósmicas abriram-nos uma janela única para o trabalho das galáxias infantis, além de nos mostrarem onde se formaram os aglomerados globulares”, diz Adamo. “Esses aglomerados terão tempo suficiente para relaxar e se tornarem aglomerados globulares, por terem sido formados em uma idade tão jovem do Universo”, acrescenta ela.
Compreendendo o Universo primordial
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 sobre como as estrelas nas primeiras galáxias nasceram e onde e como os aglomerados globulares são formados.
Olhando para frente
No futuro, o grupo planeia construir uma amostra maior de galáxias semelhantes. “Temos uma galáxia até agora, mas precisamos de muitas mais se quisermos criar dados demográficos das populações de aglomerados que se formaram nas primeiras galáxias.” diz Adão. A equipe também tem um programa aprovado para o próximo ciclo de observações do JWST, onde estudará a galáxia do Arco das Gemas Cósmicas e os aglomerados de estrelas recentemente descobertos com mais detalhes. “As observações espectroscópicas permitir-nos-ão mapear espacialmente a taxa de formação estelar e a eficiência da produção de fotões ionizantes ao longo da galáxia”, acrescenta o Dr. Larry Bradley, investigador principal do programa JWST e segundo autor deste artigo.
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