Uma faixa de céu medindo 2% da área coberta pela Lua Cheia foi fotografada com o instrumento NIRCam (Near-Infrared Camera) do Webb em oito filtros, com o ACS (Advanced Camera for Surveys) e WFC3 (Wide-Field Camera 3) do Hubble em três filtros que, em conjunto, abrangem gama de comprimentos de onda de 0,25 a 5 micrómetros. Esta imagem representa uma porção do campo PEARLS completo, que será cerca de quatro vezes maior.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Rolf A. Jansen (Universidade Estatal do Arizona), Jake Summers (Universidade Estatal do Arizona), Rosalia O'Brien (Universidade Estatal do Arizona), Rogier Windhorst (Universidade Estatal do Arizona), Aaron Robotham (Universidade da Austrália Ocidental), Anton M. Koekemoer (STScI), Christopher Willmer (Universidade do Arizona) e equipa PEARLS do JWST; processamento de imagem - Rolf A. Jansen (Universidade Estatal do Arizona) e Alyssa Pagan (STScI)
Durante décadas, o Telescópio Espacial Hubble e os telescópios terrestres têm-nos fornecido imagens espetaculares de galáxias. Tudo isto mudou quando o Telescópio Espacial James Webb foi lançado em dezembro de 2021 e completou com sucesso a sua fase de comissionamento durante a primeira metade de 2022. Para os astrónomos, o Universo, tal como o tínhamos visto, é agora revelado de uma nova forma nunca imaginada pelo instrumento NIRCam (Near-Infrared Camera) do telescópio.
O NIRCam é o principal gerador de imagens do Webb e cobre a gama infravermelha de 0,6 a 5 micrómetros. O NIRCam deteta a luz das primeiras estrelas e galáxias em processo de formação, a população de estrelas em galáxias próximas, bem como estrelas jovens na Via Láctea e objetos da Cintura de Kuiper.
O projeto PEARLS (Prime Extragalactic Areas for Reionization and Lensing Science) é o tema de um estudo recente publicado na revista The Astronomical Journal por uma equipa de investigadores, incluindo o professor Rogier Windhorst, os investigadores Rolf Jansen, Seth Cohen, Jake Summers e a estudante Rosalia O'Brien, todos da Universidade Estatal do Arizona, juntamente com a contribuição de muitos outros investigadores.
Para os cientistas, as imagens, pelo programa PEARLS, das primeiras galáxias, mostram a quantidade de lentes gravitacionais ou objetos no plano de fundo de enxames massivos de galáxias, permitindo à equipa ver alguns destes objetos muito distantes. Num destes campos relativamente profundos, a equipa trabalhou com imagens multicoloridas impressionantes para assim identificar galáxias em interação e com núcleos ativos.
Os dados de Windhorst e da sua equipa mostram evidências de buracos negros gigantes nos seus centros, onde se pode ver o disco de acreção - o material a cair no buraco negro, brilhando intensamente no centro da galáxia. Além disso, muitas estrelas galácticas aparecem como gotas no para-brisas de um carro - como se estivéssemos a conduzir através do espaço intergaláctico. Este campo sobe acima do plano da eclíptica, o plano em que a Terra e a Lua, e todos os outros planetas, orbitam à volta do Sol.
"Há mais de duas décadas que trabalho com uma grande equipa internacional de cientistas para preparar o nosso programa científico do Webb", disse Windhorst. "As imagens do Webb são verdadeiramente fenomenais, realmente para lá dos meus sonhos mais loucos. Elas permitem-nos medir a densidade das galáxias que brilham até limites infravermelhos muito ténues e a quantidade total de luz que produzem. Esta luz é muito mais fraca do que o céu infravermelho muito escuro medido entre essas galáxias".
A primeira coisa que a equipa pode ver nestas novas imagens é que muitas galáxias que eram praticamente - se não totalmente - invisíveis ao Hubble são brilhantes nas imagens obtidas pelo Webb. Estas galáxias estão tão distantes que a luz emitida pelas estrelas foi esticada.
A equipa concentrou-se no "North Ecliptic Pole time domain field" com o telescópio Webb - facilmente visualizado devido à sua localização no céu. Windhorst e colegas planeiam observá-lo quatro vezes.
As primeiras observações, constituídas por dois campos que em parte se sobrepõem, produziram uma imagem que mostra objetos tão fracos quanto o brilho de 10 pirilampos à distância da Lua (a Lua não estando lá). O limite máximo do Webb é equivalente a um ou dois pirilampos. Os objetos mais ténues e avermelhados, visíveis na imagem, são galáxias distantes, que remontam às primeiras centenas de milhões de anos após o Big Bang.
Durante a maior parte da carreira de Jansen, trabalhou com câmaras no solo e no espaço, onde temos um único instrumento, com uma única câmara, que produz uma imagem. Agora, os cientistas possuem um instrumento que não tem apenas um detetor, que produz apenas uma imagem, mas 10 simultaneamente. Por cada exposição que o NIRCAm obtém, fornece 10 destas imagens. É uma quantidade enorme de dados e o seu volume pode ser avassalador.
Summers tem sido instrumental para processar esses dados e para os canalizar através do software de análise por colaboradores em todo o mundo.
"As imagens do JWST excedem de longe o que esperávamos das minhas simulações antes das primeiras observações científicas", disse Summers. "Ao analisar estas imagens pelo JWST, fiquei muito surpreendido com a sua requintada resolução".
O principal interesse de Jansen é descobrir como é que galáxias como a nossa própria Via Láctea surgiram. E a forma de o fazer é olhando para trás no tempo, para a forma como as galáxias se formaram, vendo como evoluíram e efetivamente traçando o caminho desde o Big Bang até ao presente.
"Fiquei impressionado com a primeira imagem do PEARLS", disse Jansen. "Mal sabia eu, quando selecionei este campo perto do polo eclíptico norte, que viria a produzir um tesouro de galáxias distantes, e que obteríamos pistas diretas sobre os processos pelos quais as galáxias se formam e crescem - consigo ver correntes, caudas, conchas e halos de estrelas nos seus arredores, os remanescentes dos seus blocos de construção".
A estudante do terceiro ano de astrofísica, O'Brien, concebeu algoritmos para medir a luz fraca entre as galáxias e as estrelas que chamaram pela primeira vez a atenção.
"A luz difusa que medi entre as estrelas e as galáxias tem um significado cosmológico, codificando a história do Universo", disse O'Brien. "Sinto-me afortunada por começar a minha carreira agora mesmo - os dados do Webb são como nada que alguma vez tenhamos visto e estou entusiasmada com as oportunidades e desafios que oferece".
"Espero que este campo seja monitorizado durante toda a missão do JWST, para revelar objetos que se movem, variam em luminosidade ou que se iluminam por breves instantes, como supernovas ou gás em acreção em torno de buracos negros em galáxias ativas", disse Jansen.
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