A equipe do Telescópio Espacial James Webb e do ALMA captura o núcleo do protoaglomerado de galáxias mais distante

A equipa revelou que muitas galáxias estão concentradas numa pequena área e que o crescimento das galáxias é acelerado. Além disso, a equipa utilizou simulações para prever o futuro da área metropolitana e descobriu que a região se fundirá numa galáxia maior dentro de dezenas de milhões de anos. Espera-se que estes resultados forneçam pistas importantes sobre o nascimento e crescimento das galáxias.

O estudo de como as estrelas individuais nascem e morrem nas galáxias, como novas estrelas nascem a partir de restos de estrelas antigas e como as próprias galáxias crescem são temas importantes na astronomia, pois fornecem informações sobre as nossas raízes no Universo. Os aglomerados de galáxias, uma das maiores estruturas do Universo, são o conjunto de mais de 100 galáxias que estão unidas através da força gravitacional mútua. Observações de galáxias próximas mostraram que o crescimento de uma galáxia depende do seu ambiente, no sentido de que populações estelares maduras são comumente vistas em regiões onde as galáxias são densamente coletadas. Isso é conhecido como “efeito ambiental”. Embora o efeito ambiental tenha sido considerado uma peça importante para a compreensão da formação e evolução das galáxias, não se sabe bem quando o efeito se iniciou na história do Universo. Uma das chaves para compreender isto é observar os ancestrais dos aglomerados de galáxias logo após o nascimento do Universo; conhecidos como protoaglomerados de galáxias (doravante protoaglomerados), são conjuntos de cerca de 10 galáxias distantes. Felizmente, a astronomia nos permite observar o Universo distante como era no passado. Por exemplo, a luz de uma galáxia a 13 mil milhões de anos-luz de distância demora 13 mil milhões de anos a chegar à Terra, então o que observamos agora é como era aquela galáxia há 13 mil milhões de anos. No entanto, a luz que viaja 13 mil milhões de anos-luz torna-se mais fraca, pelo que os telescópios que a observam devem ter alta sensibilidade e resolução espacial.

Uma equipe de pesquisa internacional liderada pelo professor assistente Takuya Hashimoto (Universidade de Tsukuba, Japão) e pelo pesquisador Javier Álvarez-Márquez (Centro Espanhol de Astrobiologia) usou o Telescópio Espacial James Webb (JWST, observando luz visível e infravermelha) e o Atacama Large Millimeter /submillimeter Array (ALMA, observando ondas de rádio) para estudar a “região central” do protoaglomerado A2744z7p9OD. O protoaglomerado A2744z7p9OD foi anunciado como o protoaglomerado mais distante a 13,14 bilhões de anos-luz[1] afastado com base em observações com JWST por outro grupo de pesquisa[2]. “No entanto, não conseguimos observar toda a região central, a área metropolitana, com o maior número de candidatas a galáxias neste protoaglomerado. Não estava claro se os efeitos ambientais das galáxias tinham começado neste protoaglomerado. Por isso decidimos focar nossa pesquisa na região central”, diz Hashimoto.

A equipe de pesquisa observou primeiro a região central deste protoaglomerado usando JWST. Usando o NIRSpec, um instrumento que observa espectros em comprimentos de onda que vão do visível ao infravermelho próximo, a equipe fez observações de espectroscopia de campo integral que podem adquirir simultaneamente espectros de todos os locais dentro do campo de visão. A equipe detectou com sucesso luz ionizada de íons de oxigênio ([OIII] 5008 Å) de quatro galáxias em uma região quadrângulo medindo 36.000 anos-luz ao longo de um lado, o que equivale a metade do raio da galáxia Via Láctea (. Com base no desvio para o vermelho desta luz (o alongamento do comprimento de onda devido ao cósmico expansão), a distância das quatro galáxias da Terra foi identificada como 13,14 bilhões de anos-luz. “Fiquei surpreso quando identificamos quatro galáxias detectando emissão de íons de oxigênio quase à mesma distância. As ‘galáxias candidatas’ na região central eram de facto membros do protoaglomerado mais distante,” diz Yuma Sugahara (Waseda/NAOJ), que liderou a análise de dados do JWST.

Além disso, a equipa de investigação prestou atenção aos dados de arquivo do ALMA, que já tinham sido adquiridos para esta região. Os dados capturam emissões de rádio da poeira cósmica nestas galáxias distantes. Como resultado das análises, detectaram emissões de poeira de três das quatro galáxias. Esta é a primeira detecção de emissão de poeira em galáxias membros de um protoaglomerado tão distante no tempo. Pensa-se que a poeira cósmica nas galáxias é fornecida por explosões de supernovas no final da evolução de estrelas massivas nas galáxias, que fornecem o material para novas estrelas. Portanto, a presença de grandes quantidades de poeira numa galáxia indica que muitas das estrelas de primeira geração na galáxia já completaram as suas vidas e que a galáxia está a crescer. O professor Luis Colina (El Centro de Astrobiologia (CAB, CSIC-INTA)) descreve o significado dos resultados: “A emissão de poeira cósmica não foi detectada em galáxias membros do protoaglomerado fora da região central. Os resultados indicam que muitas galáxias estão agrupadas numa pequena região e que o crescimento da galáxia é acelerado, sugerindo que os efeitos ambientais existiram apenas cerca de 700 milhões de anos após o Big Bang.”

Além disso, a equipa de investigação conduziu uma simulação de formação de galáxias para testar teoricamente como as quatro galáxias na região central se formaram e evoluíram. Os resultados mostraram que existia uma região de partículas densas de gás cerca de 680 milhões de anos após o Big Bang, e mostram que quatro galáxias estão sendo formadas, semelhante à região central observada. Para acompanhar a evolução destas quatro galáxias, a simulação calculou processos físicos como a cinemática das estrelas e do gás, reações químicas, formação de estrelas e supernovas. As simulações mostraram que as quatro galáxias se fundem e evoluem para uma única galáxia maior dentro de algumas dezenas de milhões de anos, o que é uma escala de tempo curta na evolução do Universo. “Reproduzimos com sucesso as propriedades das galáxias na região central devido à alta resolução espacial de nossas simulações e ao grande número de amostras de galáxias que temos. No futuro, gostaríamos de explorar o mecanismo de formação da região central e sua propriedades dinâmicas com mais detalhes”, diz Yurina Nakazato, estudante de pós-graduação da Universidade de Tóquio, que analisou os dados da simulação.

Javier Álvarez-Márquez (Centro Espanhol de Astrobiologia) afirma: “Faremos observações mais sensíveis do proto-aglomerado A2744z7p9OD com o ALMA para ver se existem galáxias que não eram visíveis com a sensibilidade anterior. Também aplicaremos o JWST e Observações do ALMA, que provaram ser muito poderosas, levaram a mais protoaglomerados para elucidar o mecanismo de crescimento das galáxias e para explorar as nossas raízes no Universo.”

Esta pesquisa foi apoiada por JSPS KAKENHI (números de subvenção 20K14516, 22H01257, 22H04939, 23H00131), iniciativa líder para excelentes jovens pesquisadores, MEXT, Japão (HJH02007), NAOJ ALMA Scientific Research Grant (2020-16B), o Ministério da Ciência espanhol e Inovação/Agência Estatal de Pesquisa (PIB2021-127718NB-100), Programa “Garantía Juveníl” da “Comunidade de Madrid” 2021 (CM21 CAB M2 01), Comunidade de Madrid sob Atração de Talento (2018-T2/TIC- 11612), o programa Ramón y Cajal do Ministério de Ciência e Inovação espanhol (RYC2021-033094-I).

[1] O desvio para o vermelho deste objeto foi z = 7,88. Com base nisso, calcular a distância usando os parâmetros cosmológicos mais recentes (H0 = 67,7 km/s/Mpc, Ωm = 0,3111, ΩΛ = 0,6899) ​​produz 13,14 bilhões de anos-luz.

[2] A distância para A2744z7p9OD foi determinada pela primeira vez pela equipe de Takahiro Morishita (Instituto de Tecnologia da Califórnia).