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Quando os cientistas viram as primeiras imagens do Telescópio Espacial James Webb (JWST) das primeiras galáxias do universo, ficaram chocados. As jovens galáxias pareciam demasiado brilhantes, demasiado massivas e demasiado maduras para terem sido formadas logo após o Big Bang. Seria como uma criança se tornando adulta em apenas alguns anos.
A surpreendente descoberta fez com que alguns físicos questionassem o modelo padrão da cosmologia, perguntando-se se deveria ou não ser derrubado.
Usando novas simulações, uma equipe de astrofísicos liderada pela Northwestern University descobriu agora que essas galáxias provavelmente não são tão massivas, afinal. Embora o brilho de uma galáxia seja normalmente determinado pela sua massa, as novas descobertas sugerem que galáxias menos massivas podem brilhar com a mesma intensidade a partir de explosões irregulares e brilhantes de formação estelar.
Esta descoberta não só explica porque é que as galáxias jovens parecem enganosamente massivas, como também se enquadra no modelo padrão da cosmologia.
A pesquisa será publicada na terça-feira (3 de outubro) no Cartas de diários astrofísicos.
“A descoberta destas galáxias foi uma grande surpresa porque eram substancialmente mais brilhantes do que o previsto,” disse Claude-André Faucher-Giguère, da Northwestern, autor sénior do estudo. “Normalmente, uma galáxia é brilhante porque é grande. Mas como essas galáxias se formaram no amanhecer cósmico, não passou tempo suficiente desde o Big Bang. Como essas galáxias massivas puderam se reunir tão rapidamente? Nossas simulações mostram que as galáxias não têm problemas em formar esse brilho pela aurora cósmica.”
“A chave é reproduzir uma quantidade suficiente de luz num sistema num curto espaço de tempo”, acrescentou Guochao Sun, que liderou o estudo. “Isso pode acontecer porque o sistema é realmente massivo ou porque tem a capacidade de produzir muita luz rapidamente. Neste último caso, um sistema não precisa ser tão massivo. Se a formação de estrelas acontecer em explosões, será emitem flashes de luz. É por isso que vemos várias galáxias muito brilhantes.”
Faucher-Giguère é professor associado de física e astronomia no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica (CIERA). Sun é pós-doutorado do CIERA na Northwestern.
Um período que durou cerca de 100 milhões de anos a 1 bilhão de anos após o Big Bang, o amanhecer cósmico é marcado pela formação das primeiras estrelas e galáxias do universo. Antes do JWST ser lançado ao espaço, os astrônomos sabiam muito pouco sobre esse período antigo.
“O JWST nos trouxe muito conhecimento sobre o amanhecer cósmico”, disse Sun. “Antes do JWST, a maior parte do nosso conhecimento sobre o universo primitivo era especulação baseada em dados de muito poucas fontes. Com o enorme aumento no poder de observação, podemos ver detalhes físicos sobre as galáxias e usar essas evidências observacionais sólidas para estudar a física para entender o que está acontecendo.”
No novo estudo, Sun, Faucher-Giguère e a sua equipa utilizaram simulações computacionais avançadas para modelar como as galáxias se formaram logo após o Big Bang. As simulações produziram galáxias cósmicas do amanhecer que eram tão brilhantes quanto as observadas pelo JWST. As simulações fazem parte do projeto Feedback of Relativistic Environments (FIRE), que Faucher-Giguère co-fundou com colaboradores do Instituto de Tecnologia da Califórnia, da Universidade de Princeton e da Universidade da Califórnia em San Diego. O novo estudo inclui colaboradores do Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e da Universidade da Califórnia, Davis.
As simulações FIRE combinam teoria astrofísica e algoritmos avançados para modelar a formação de galáxias. Os modelos permitem aos investigadores investigar como as galáxias se formam, crescem e mudam de forma, ao mesmo tempo que contabilizam a energia, a massa, o momento e os elementos químicos devolvidos pelas estrelas.
Quando Sun, Faucher-Giguère e a sua equipa realizaram simulações para modelar as primeiras galáxias formadas na madrugada cósmica, descobriram que as estrelas se formavam em explosões – um conceito conhecido como “formação estelar em explosões”. Em galáxias massivas como a Via Láctea, as estrelas formam-se a um ritmo constante, com o número de estrelas aumentando gradualmente ao longo do tempo. Mas a chamada formação estelar em explosão ocorre quando as estrelas se formam num padrão alternado – muitas estrelas ao mesmo tempo, seguidas por milhões de anos de muito poucas estrelas novas e depois muitas estrelas novamente.
“A formação de estrelas em explosão é especialmente comum em galáxias de baixa massa”, disse Faucher-Giguère. “Os detalhes de por que isso acontece ainda são objeto de pesquisas em andamento. Mas o que pensamos que acontece é que uma explosão de estrelas se forma e, alguns milhões de anos depois, essas estrelas explodem como supernovas. O gás é expelido e depois cai de volta para formar novas estrelas, impulsionando o ciclo de formação de estrelas. Mas quando as galáxias ficam massivas o suficiente, elas têm uma gravidade muito mais forte. Quando as supernovas explodem, elas não são fortes o suficiente para ejetar gás do sistema. A gravidade mantém a galáxia unida e traz colocá-lo em um estado estacionário.”
As simulações também foram capazes de produzir a mesma abundância de galáxias brilhantes que o JWST revelou. Em outras palavras, o número de galáxias brilhantes previstas pelas simulações corresponde ao número de galáxias brilhantes observadas.
Embora outros astrofísicos tenham levantado a hipótese de que a formação de explosões de estrelas poderia ser responsável pelo brilho incomum das galáxias no amanhecer cósmico, os pesquisadores da Northwestern são os primeiros a usar simulações computacionais detalhadas para provar que isso é possível. E conseguiram fazê-lo sem adicionar novos fatores que não estão alinhados com o nosso modelo padrão do universo.
“A maior parte da luz numa galáxia vem das estrelas mais massivas”, disse Faucher-Giguère. “Como as estrelas mais massivas queimam a uma velocidade mais elevada, têm uma vida mais curta. Consomem rapidamente o seu combustível em reações nucleares. Portanto, o brilho de uma galáxia está mais diretamente relacionado com quantas estrelas ela formou nos últimos milhões de anos. do que a massa da galáxia como um todo.”
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