ALMA e James Webb observam o mais distante proto-enxame galáctico

Uma colaboração internacional liderada pelo professor assistente Takuya Hashimoto (Universidade de Tsukuba, Japão) e pelo investigador Javier Álvarez-Márquez (Centro de Astrobiologia, Espanha) utilizou o Telescópio Espacial James Webb (JWST) e o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) para observar o proto-enxame de galáxias mais distante até à data, a 13,14 mil milhões de anos-luz de distância. Esta observação profunda revelou o núcleo denso e “metropolitano” deste proto-enxame, indicando um crescimento galáctico acelerado. As simulações sugerem que esta região irá fundir-se numa galáxia singular e massiva nas dezenas de milhões de anos seguintes, fornecendo informações sobre o nascimento e evolução das primeiras galáxias.

O estudo da forma como as estrelas individuais nascem e morrem nas galáxias, de como novas estrelas nascem a partir de remanescentes de estrelas antigas e de como as galáxias crescem são temas importantes na astronomia, uma vez que permitem conhecer as nossas raízes no Universo. Os enxames de galáxias, uma das estruturas mais significativas do Universo, reúnem mais de 100 galáxias ligadas entre si pela força gravitacional mútua. Observações de galáxias próximas mostraram que o crescimento de uma galáxia depende do seu ambiente, no sentido em que populações estelares maduras são normalmente vistas em regiões onde as galáxias estão densamente agrupadas. Este facto é referido como o “efeito ambiente”.

Embora o efeito ambiente tenha sido considerado uma peça essencial para compreender a formação e evolução das galáxias, não se sabe muito bem quando é que ele teve início na história do Universo. Uma das chaves para compreender este facto é observar os antepassados dos enxames de galáxias pouco depois do nascimento do Universo, conhecidos como proto-enxames de galáxias; estes são conjuntos de cerca de dez galáxias distantes. Felizmente, a astronomia permite-nos observar o Universo distante tal como ele 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, pelo que o que observamos agora é o aspeto dessa galáxia há 13 mil milhões de anos. No entanto, a luz que viaja 13 mil milhões de anos-luz torna-se mais ténue, pelo que os telescópios que a observam têm de ter uma elevada sensibilidade e resolução espacial.

A equipa de investigação começou por observar a região central deste proto-enxame usando o JWST. Recorrendo ao NIRSpec, um instrumento que observa espectros em comprimentos de onda que vão do visível ao infravermelho próximo, a equipa fez observações de espetroscopia de campo integral que podem obter simultaneamente espectros de todos os locais dentro do campo de visão. A equipa detetou com sucesso luz ionizada de iões de oxigénio ([OIII] 5008 Å) de quatro galáxias numa região quadrangular com 36.000 anos-luz de lado, o que equivale a metade do raio da Via Láctea. Com base no desvio para o vermelho desta luz (o alongamento do comprimento de onda devido à expansão cósmica), a distância das quatro galáxias à Terra foi identificada como sendo de 13,14 mil milhões de anos-luz. “Fiquei surpreendido quando identificámos quatro galáxias através da deteção da emissão de iões de oxigénio quase à mesma distância. As ‘galáxias candidatas’ na região do núcleo eram de facto membros do proto-enxame mais distante,” diz Yuma Sugahara (Waseda/NAOJ), que liderou a análise dos 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. Estes dados captam as emissões rádio da poeira cósmica nestas galáxias distantes. Como resultado das análises, detetaram emissões de poeira de três das quatro galáxias. Esta é a primeira deteção de emissões de poeira em galáxias membros de um proto-enxame tão distante no tempo. Pensa-se que a poeira cósmica nas galáxias seja fornecida por explosões de supernova no final da evolução de estrelas massivas nas galáxias, que fornecem o material para novas estrelas. Por conseguinte, grandes quantidades de poeira numa galáxia indicam que muitas das estrelas de primeira geração da galáxia já completaram as suas vidas e que a galáxia está a crescer. O professor Luis Colina (Centro de Astrobiologia, Espanha) descreve o significado dos resultados: “A emissão de poeira cósmica não foi detetada em galáxias membros do proto-enxame fora da região do núcleo. Os resultados indicam que muitas galáxias estão agrupadas numa pequena região e que o crescimento das galáxias é acelerado, sugerindo que os efeitos ambientais existiam apenas ~700 milhões de anos após o Big Bang.”

Além disso, a equipa de investigação realizou uma simulação de formação galáctica para testar teoricamente como se formaram e evoluíram as quatro galáxias na região do núcleo. Os resultados mostraram que existia uma região de partículas densas de gás cerca de 680 milhões de anos após o Big Bang, e que se formaram quatro galáxias, semelhantes à região observada do núcleo. Para acompanhar a evolução destas quatro galáxias, a simulação calculou processos físicos como a cinemática das estrelas e do gás, reações químicas, formação estelar e supernovas. As simulações mostraram que as quatro galáxias se fundem e evoluem para uma única galáxia maior em 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 do núcleo devido à elevada resolução espacial das nossas simulações e ao grande número de amostras de galáxias de que dispomos. No futuro, gostaríamos de explorar o mecanismo de formação da região do núcleo e as suas propriedades dinâmicas com mais pormenor”, diz Yurina Nakazato, uma estudante licenciada da Universidade de Tóquio, que analisou os dados da simulação.

Javier Álvarez-Márquez (Centro de Astrobiologia, Espanha) diz: “Vamos efetuar observações mais sensíveis do proto-enxame A2744z7p9OD com o ALMA para ver se existem galáxias que não eram visíveis com a sensibilidade anterior. Vamos também aplicar as observações do JWST e do ALMA, que provaram ser muito poderosas, a mais proto-enxames para elucidar o mecanismo de crescimento das galáxias e para explorar as nossas raízes no Universo”.

// Observatório ALMA (comunicado de imprensa)
// Universidade de Tsukuba (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal Letters)
// Artigo científico (arXiv.org)

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