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Os astrónomos que olham para o início do Universo fizeram uma descoberta surpreendente utilizando o Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA. As capacidades espectroscópicas do Webb, combinadas com a sua sensibilidade infravermelha, revelaram um enxame de galáxias massivas em processo de formação à volta de um quasar extremamente vermelho. O resultado vai expandir a nossa compreensão de como as galáxias no início do Universo se fundiram na teia cósmica que vemos hoje.
O quasar em questão, SDSS J165202.64+172852.3, é um quasar “extremamente vermelho” que existe nos primórdios do Universo, há 11,5 mil milhões de anos. Os quasares são um tipo raro e incrivelmente luminoso de núcleo galáctico ativo. Este quasar é um dos mais poderosos núcleos galácticos ativos conhecidos que foi visto a uma distância tão extrema. Os astrónomos tinham especulado que a emissão extrema do quasar poderia causar um “vento galáctico”, empurrando gás livre para fora da sua galáxia hospedeira e possivelmente influenciando em muito a sua futura formação estelar.
O quasar é um quasar “extremamente vermelho” que existe no Universo muito antigo, há 11,5 mil milhões de anos atrás.
A imagem no centro é composta por quatro imagens de banda estreita feitas a partir do modo de espectroscopia de campo integral do instrumento NIRSpec do Webb. Todas as quatro imagens de banda estreita mostram emissões extremamente desviadas para o vermelho a partir do oxigénio duplamente ionizado que tem uma linha de emissão de cerca de 500nm no visível; antes de ser desviada para o infravermelho.
Os painéis da direita apresentam as quatro imagens de banda estreita separadamente. Cada cor ilustra a velocidade relativa do oxigénio gasoso ionizado em todo o enxame. Quanto mais avermelhada a cor, mais rápido o gás se afasta da nossa linha de visão com o quasar, enquanto que quanto mais azulada a cor, mais rápido se afasta do quasar na nossa direção. A cor verde indica que o gás está estável na nossa linha de visão em comparação com o quasar.
Os painéis azuis e amarelos revelam o fluxo bi-cónico do quasar, com o painel laranja mostrando o gás a afastar-se mais rapidamente de nós, que se estende para a parte inferior direita, bem como destacando uma galáxia companheira na parte superior esquerda do quadro.
Crédito: ESA/Webb, NASA & CSA, D. Wylezalek, A. Vayner & equipa Q3D, N. Zakamska
Um núcleo galáctico ativo é uma região compacta no centro de uma galáxia que emite radiação eletromagnética suficiente para brilhar mais do que todas as estrelas da galáxia. Os núcleos galácticos ativos, incluindo os quasares, são alimentados por gás que cai num buraco negro supermassivo no centro da sua galáxia. Normalmente emitem grandes quantidades de luz em todos os comprimentos de onda, mas este núcleo galáctico é um membro de uma classe invulgarmente vermelha. Para além da sua cor vermelha intrínseca, a luz da galáxia foi desviada ainda mais para o vermelho devido à sua grande distância. Isto fez com que o Webb, tendo uma sensibilidade inigualável em comprimentos de onda infravermelhos, fosse perfeitamente adequado para examinar a galáxia em detalhe.
Para investigar o movimento do gás, da poeira e do material estelar na galáxia, a equipa utilizou o NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) do telescópio. Este poderoso instrumento pode simultaneamente reunir espectros em todo o campo de visão do telescópio, em vez de apenas um ponto de cada vez – uma técnica conhecida como espectroscopia de campo integral. Isto permitiu-lhes examinar simultaneamente o quasar, a sua galáxia e o ambiente mais amplo.
A espectroscopia foi fundamental para compreender o movimento dos vários fluxos e ventos que rodeavam o quasar. Os movimentos destes gases afetam a luz que emitem e refletem, fazendo com que esta seja desviada para o vermelho ou desviada para o azul em proporção à sua velocidade e direção. A equipa foi capaz de ver e caracterizar este movimento ao rastrear o oxigénio ionizado nos espectros do NIRSpec. As observações de campo integral foram especialmente úteis, com a equipa a tirar o máximo partido da capacidade de recolher espectros de uma vasta área em redor do próprio quasar.
Estudos anteriores realizados, entre outros, pelo Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA e pelo NIFS (Near-Infrared Integral Field Spectrometer) montado no telescópio Gemini North, chamaram a atenção para os poderosos fluxos do quasar e os astrónomos tinham especulado que a sua galáxia hospedeira poderia estar a fundir-se com algum parceiro invisível. Mas a equipa não estava à espera que os dados NIRSpec do Webb indicassem claramente que não estavam apenas a olhar para uma galáxia, mas para pelo menos mais três a girar à sua volta. Graças aos espectros de campo integral, os movimentos de todo este material circundante puderam ser mapeados, resultando na conclusão de que SDSS J165202.64+172852.3 fazia, de facto, parte de um nó denso de formação galáctica.
“Existem poucos protoenxames galácticos conhecidos nesta fase inicial. É difícil encontrá-los e muito poucos tiveram tempo para se formar desde o Big Bang”, disse a astrónoma Dominika Wylezalek da Universidade de Heidelberg na Alemanha, que liderou o estudo deste quasar. “Isto pode eventualmente ajudar-nos a compreender como as galáxias evoluem em ambientes densos… é um resultado excitante”.
Crédito: ESA/Webb, NASA & CSA, D. Wylezalek, A. Vayner & equipa Q3D
Usando as observações de campo integral do NIRSpec, a equipa foi capaz de confirmar três companheiras galácticas deste quasar e mostrar como estão ligadas. Os dados de arquivo do Hubble sugerem que podem haver ainda mais. As imagens do WFC3 (Wide Field Camera 3) do Hubble tinham mostrado material alargado em redor do quasar e da sua galáxia, levando à sua seleção para este estudo sobre o fluxo e os efeitos na sua galáxia hospedeira. Agora, a equipa suspeita que pode estar a olhar para o núcleo de todo um enxame de galáxias – só agora revelado pelas imagens nítidas do Webb.
“O nosso primeiro olhar para os dados revelou rapidamente sinais claros de grandes interações entre as galáxias vizinhas”, partilhou o membro da equipa Andrey Vayner da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, EUA. “A sensibilidade do instrumento NIRSpec foi imediatamente visível e ficou claro, para mim, que estamos numa nova era de espectroscopia de infravermelho”.
As três galáxias confirmadas orbitam-se umas às outras a velocidades incrivelmente elevadas, uma indicação de que está presente uma grande quantidade de massa. Quando combinadas com a proximidade a que se encontram na região em redor deste quasar, a equipa pensa que isto marca uma das áreas de formação galáctica mais densa conhecidas no início do Universo. “Mesmo um nó denso de matéria escura não é suficiente para o explicar”, diz Wylezalek. “Pensamos que podemos estar a ver uma região onde dois halos massivos de matéria escura se estão a fundir”.
O estudo realizado pela equipa de Wylezalek faz parte das investigações do Webb sobre o Universo primitivo. Com a sua capacidade sem precedentes de olhar para trás no tempo, o telescópio já está a ser utilizado para investigar como as primeiras galáxias foram formadas e evoluíram e como os buracos negros se formaram e influenciaram a estrutura do Universo. A equipa está a planear observações de acompanhamento deste inesperado protoenxame galáctico e espera usá-las para compreender como os enxames densos e caóticos de galáxias, como este, se formam, e como são afetados pelo buraco negro ativo e supermassivo no seu coração.
O seu objetivo é voltar primeiro à questão dos ventos galácticos e do feedback dos quasares. Há muito que se suspeita que os quasares são os responsáveis pela redução da formação estelar nas suas galáxias hospedeiras através deste mecanismo de feedback, mas é difícil encontrar evidências firmes para ligar os dois. As presentes observações são apenas as primeiras de um conjunto que irá estudar três quasares com o Webb, cada um em momentos diferentes no passado do Universo.
“Separar a luz incrivelmente brilhante de um quasar distante da hospedeira muito mais fraca e das suas companheiras é quase impossível a partir do solo. Descobrir os detalhes dos ventos galácticos que podem produzir feedback é ainda mais desafiante”, partilhou o membro da equipa David Rupke da Rhodes College em Memphis, EUA. “Agora, com o Webb, já podemos ver que isso está a mudar”.
Esta investigação foi concluída como parte dos programas ERS (Early Release Science) do Webb. Estas observações estão a ter lugar durante os primeiros cinco meses de operações científicas do Webb. As observações Webb que produziram este resultado foram obtidas pelo programa #1335 do ERS.
// ESA/Webb (comunicado de imprensa)
// ESA (comunicado de imprensa)
// NASA (comunicado de imprensa)
// STScI (comunicado de imprensa)
// Universidade Johns Hopkins (comunicado de imprensa)
// Rhodes College (comunicado de imprensa)
// Universidade de Maryland (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (arXiv.org)
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