Entre as questões mais fundamentais da astronomia está: Como se formaram as primeiras estrelas e galáxias? O Telescópio Espacial James Webb da NASA já está fornecendo novos insights sobre esta questão. Um dos maiores programas no primeiro ano de ciência de Webb é o JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, ou JADES, que dedicará cerca de 32 dias de tempo de telescópio para descobrir e caracterizar galáxias distantes e fracas. Enquanto os dados ainda estão chegando, JADES já descobriu centenas de galáxias que existiam quando o universo tinha menos de 600 milhões de anos. A equipe também identificou galáxias brilhando com uma infinidade de estrelas jovens e quentes.
“Com JADES, queremos responder a muitas perguntas, como: como as primeiras galáxias se formaram? Com que rapidez elas formaram estrelas? Por que algumas galáxias param de formar estrelas?” disse Marcia Rieke da Universidade do Arizona em Tucson, co-líder do programa JADES.
fábricas de estrelas
Ryan Endsley, da Universidade do Texas em Austin, liderou uma investigação sobre galáxias que existiam 500 a 850 milhões de anos após o big bang. Este foi um momento crucial conhecido como a Época da Reionização. Por centenas de milhões de anos após o big bang, o universo foi preenchido por uma névoa gasosa que o tornou opaco à luz energética. Cerca de um bilhão de anos após o big bang, a névoa se dissipou e o universo tornou-se transparente, um processo conhecido como reionização. Os cientistas debateram se buracos negros supermassivos ativos ou galáxias cheias de estrelas jovens e quentes foram a principal causa da reionização.
Como parte do programa JADES, Endsley e seus colegas estudaram essas galáxias com o instrumento NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) de Webb para procurar assinaturas de formação de estrelas – e as encontraram em abundância. “Quase todas as galáxias que encontramos mostram essas assinaturas de linha de emissão excepcionalmente fortes, indicando intensa formação estelar recente. Essas primeiras galáxias eram muito boas em criar estrelas quentes e massivas”, disse Endsley.
Essas estrelas brilhantes e massivas emitem torrentes de luz ultravioleta, que transformam o gás circundante de opaco em transparente, ionizando os átomos, removendo elétrons de seus núcleos. Como essas primeiras galáxias tinham uma população tão grande de estrelas massivas e quentes, elas podem ter sido o principal motor do processo de reionização. A reunião posterior dos elétrons e núcleos produz as linhas de emissão distintamente fortes.
Endsley e seus colegas também encontraram evidências de que essas jovens galáxias passaram por períodos de rápida formação de estrelas intercalados com períodos de silêncio em que menos estrelas se formaram. Esses ajustes e inícios podem ter ocorrido quando as galáxias capturaram aglomerados de matérias-primas gasosas necessárias para formar estrelas. Alternativamente, como as estrelas massivas explodem rapidamente, elas podem ter injetado energia no ambiente circundante periodicamente, evitando que o gás se condense para formar novas estrelas.
O universo inicial revelado
Outro elemento do programa JADES envolve a busca pelas primeiras galáxias que existiam quando o universo tinha menos de 400 milhões de anos. Ao estudar essas galáxias, os astrônomos podem explorar como a formação de estrelas nos primeiros anos após o big bang era diferente do que é visto nos tempos atuais. A luz de galáxias distantes é esticada para comprimentos de onda mais longos e cores mais vermelhas pela expansão do universo – um fenômeno chamado desvio para o vermelho. Ao medir o desvio para o vermelho de uma galáxia, os astrônomos podem saber a que distância ela está e, portanto, quando ela existiu no início do universo. Antes de Webb, havia apenas algumas dezenas de galáxias observadas acima de um desvio para o vermelho de 8, quando o universo tinha menos de 650 milhões de anos, mas JADES agora descobriu quase mil dessas galáxias extremamente distantes.
O padrão-ouro para determinar o desvio para o vermelho envolve observar o espectro de uma galáxia, que mede seu brilho em uma miríade de comprimentos de onda próximos. Mas uma boa aproximação pode ser determinada tirando fotos de uma galáxia usando filtros que cobrem uma faixa estreita de cores para obter algumas medições de brilho. Desta forma, os pesquisadores podem determinar estimativas para as distâncias de muitos milhares de galáxias de uma só vez.
Kevin Hainline, da Universidade do Arizona em Tucson, e seus colegas usaram o instrumento NIRCam (Near-Infrared Camera) de Webb para obter essas medições, chamadas redshifts fotométricos, e identificaram mais de 700 galáxias candidatas que existiam quando o universo estava entre 370 milhões e 650 milhões. anos. O grande número dessas galáxias estava muito além das previsões de observações feitas antes do lançamento do Webb. A excelente resolução e sensibilidade do observatório estão permitindo aos astrônomos obter uma visão melhor dessas galáxias distantes do que nunca.
“Anteriormente, as primeiras galáxias que podíamos ver pareciam apenas pequenas manchas. E ainda essas manchas representam milhões ou mesmo bilhões de estrelas no início do universo”, disse Hainline. “Agora, podemos ver que alguns deles são na verdade objetos estendidos com estrutura visível. Podemos ver agrupamentos de estrelas nascendo apenas algumas centenas de milhões de anos após o início dos tempos.”
“Estamos descobrindo que a formação de estrelas no universo primordial é muito mais complicada do que pensávamos”, acrescentou Rieke.
Esses resultados estão sendo relatados no 242nd reunião da American Astronomical Society em Albuquerque, Novo México.