Webb revela o gigante do universo primitivo

Imagens detalhadas de uma das primeiras galáxias mostram que o crescimento no início do Universo foi muito mais rápido do que se pensava.

Os astrónomos estão actualmente a desfrutar de um período frutífero de descobertas, investigando muitos dos mistérios do Universo primitivo.

O lançamento bem-sucedido do Telescópio Espacial James Webb (JWST), o sucessor do Telescópio Espacial Hubble da NASA, ultrapassou os limites do que podemos ver.

As observações ocorrem agora nos primeiros 500 milhões de anos após o Big Bang, quando o universo tinha menos de cinco por cento da sua idade atual. Para os humanos, desta vez colocará firmemente o universo no estágio infantil.

No entanto, as galáxias que observamos não são certamente infantis, uma vez que novas observações revelam galáxias que são mais massivas e maduras do que se esperava anteriormente, ajudando a reescrever a nossa compreensão da formação e evolução das galáxias.

A nossa equipa de investigação internacional fez recentemente observações detalhadas sem precedentes de uma das mais antigas galáxias conhecidas – apelidada de Gz9p3, agora publicada em Astronomia da natureza.

Seu nome vem de Colaboração de vidro (nome da nossa equipa de investigação internacional) e o facto de a galáxia ter um redshift de z=9,3 onde o redshift é uma forma de descrever a distância a um objecto – daí G e z9p3.

Gz9p3, a galáxia fundida mais brilhante conhecida nos primeiros 500 milhões de anos do universo (observada pelo Telescópio Espacial James Webb). Esquerda: Imagens ao vivo mostram um núcleo duplo na região central. À direita: Secções transversais claras revelam uma estrutura alongada e irregular resultante da fusão de galáxias. Crédito: NASA

Há apenas dois anos, o Gz9p3 emergiu como um único ponto de luz através telescópio espacial Hubble. Mas usando Telescópio Espacial James Webb Podemos observar este objeto como era 510 milhões de anos depois a grande explosãocerca de 13 bilhões de anos atrás.

Descobrimos que Gz9p3 era mais massivo e maduro do que o esperado para um universo tão jovem e, de facto, continha vários milhares de milhões de estrelas.

De longe, foi o objeto mais massivo confirmado desde aquela época, e foi calculado como sendo dez vezes maior do que qualquer outra galáxia descoberta no universo primitivo.

Juntos, estes resultados sugerem que para a galáxia atingir este tamanho, as estrelas devem ter evoluído de forma mais rápida e eficiente do que pensávamos inicialmente.

Fusão das galáxias mais distantes do universo primitivo

A Gz9p3 não só é massiva, como a sua forma complexa identifica-a imediatamente como uma das fusões de galáxias mais antigas alguma vez vistas.

A imagem JWST da galáxia mostra uma morfologia tipicamente associada a duas galáxias em interação. A fusão não está concluída porque ainda vemos dois componentes.

Quando dois objetos massivos se juntam dessa maneira, eles se livram de alguma matéria no processo. Então, esse material descartado sugere que o que observamos é uma das fusões mais distantes de todos os tempos.

O Telescópio James Webb – o maior e mais poderoso instrumento do género alguma vez lançado no espaço – utiliza um espelho primário de 6,5 metros, feito de 18 espelhos hexagonais, cobertos por uma camada de ouro para produzir algumas das imagens mais antigas do Universo. Crédito da imagem: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

A seguir, nosso estudo se aprofundou para caracterizar os aglomerados de estrelas que compõem as galáxias em fusão. Usando JWST, pudemos examinar Espectro de galáxiasdivide a luz da mesma forma que um prisma divide a luz branca em um arco-íris.

Ao utilizar apenas imagens, a maioria dos estudos destes objetos muito distantes mostram apenas estrelas muito jovens porque as estrelas mais jovens são mais brilhantes e, portanto, a sua luz domina os dados de imagem.

Por exemplo, uma população jovem e brilhante criada pela fusão galáctica, com menos de alguns milhões de anos, está a ultrapassar uma população mais velha que já tem mais de 100 milhões de anos.

usando Técnica de análise espectral Podemos produzir observações tão detalhadas que os dois grupos podem ser distinguidos.

Novos modelos do universo primitivo

Uma população idosa tão grande não seria esperada, dada a forma como as primeiras estrelas se formaram para terem idade suficiente nesta época cósmica. A espectroscopia é tão detalhada que podemos ver as características subtis de estrelas antigas que nos dizem que há mais por aí do que pensamos.

Elementos específicos detectados no espectro (incluindo silício, carbono e ferro) revelam que esta população mais velha deve estar presente para enriquecer a galáxia com uma abundância de produtos químicos.

Não é apenas o tamanho das galáxias que surpreende, mas também a velocidade com que cresceram até atingir este estado quimicamente maduro.

Estas observações fornecem evidências de uma acumulação rápida e eficiente de estrelas e metais logo após o Big Bang, associada às fusões de galáxias em curso, mostrando que galáxias massivas contendo muitos milhares de milhões de estrelas existiram antes do esperado.

As observações fornecem evidências de uma acumulação rápida e eficiente de estrelas e metais logo após o Big Bang. Crédito da imagem: NASA, ESA, Jennifer Lutz (STScI), Matt Mountain (STScI), Anton M. Koikimore (STScI), Equipe HFF (STScI)

Galáxias isoladas constroem suas populações de estrelas No local No entanto, com o seu fornecimento limitado de gás, este pode ser um caminho lento para o crescimento das galáxias.

As interações entre galáxias podem atrair novos fluxos de gás puro, fornecendo o combustível necessário para a rápida formação de estrelas, e as fusões proporcionam um canal mais rápido para a acumulação e crescimento de massa.

As maiores galáxias do nosso universo moderno têm uma história de fusões, incluindo a nossa via Láctea Cresceu até ao tamanho actual através de sucessivas fusões com galáxias mais pequenas.

Estas observações de Gz9p3 mostram que as galáxias foram capazes de acumular massa rapidamente no Universo primordial através de fusões, com uma eficiência de formação estelar superior ao que esperávamos.

Estas e outras observações utilizando o Telescópio Espacial James Webb estão a levar os astrofísicos a rever os seus modelos dos primeiros anos do Universo.

A nossa cosmologia não está necessariamente errada, mas a nossa compreensão da rapidez com que as galáxias se formam pode estar errada, porque são muito maiores do que pensávamos ser possível.

Estas novas descobertas chegam em boa hora, à medida que nos aproximamos da marca de dois anos para observações científicas feitas com o Telescópio Espacial James Webb.

À medida que o número total de galáxias observadas aumenta, os astrónomos que estudam o Universo primitivo estão a passar da fase de descoberta para um período em que temos amostras suficientemente grandes para começar a construir e refinar novos modelos.

Nunca houve um momento mais emocionante para compreender os segredos do universo primitivo.

Referência: “Uma galáxia massiva em interação 510 milhões de anos após o Big Bang” por Kristan Boyett, Michele Trinti, Nisha Lithokawalit, Antonello Calabro, Benjamin Metha, Guido Roberts Borsani, Niccolò Dalmaso, Lilan Yang, Paola Santini, Tommaso Trio, Tucker Jones. Alaina Henry, Charlotte A. Mason, Takahiro Morishita, Themia Nanayakkara, Namrata Roy, Chen Wang, Adriano Fontana, Emiliano Merlin, Marco Castellano, Diego Paris, Marusha Bradac, Matt Malkan, Danilo Marchesini, Sara Mascia, Karl Glezbrook, Laura Pinterici. , Eros Vanzella e Benedetta Vulcani, 7 de março de 2024, Astronomia da natureza.
doi: 10.1038/s41550-024-02218-7

O estudo foi liderado pela Dra. Kate Boyett com uma equipe que inclui os professores Michael Trinity e Benjamin Mitha. Niccolò Dalmaso Também da Universidade de Melbourne e Centro de Excelência ARC para Astrofísica do Céu em 3 Dimensões (ASTRO 3D). Uma equipe de pesquisa internacional é formada 27 autores de 19 instituições da Austrália, Tailândia, Itália, EUA, Japão, Dinamarca e China.