“Cosmic Lighthouses” – Webb revela os segredos da primeira luz do universo

As observações pioneiras do Telescópio Espacial James Webb revelam o papel fundamental das galáxias de baixa massa na reionização do universo primitivo, desafiando as teorias existentes de evolução cósmica.

Cientistas que trabalham com dados do Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA obtiveram os primeiros espectros completos de algumas das estrelas mais antigas do universo. As imagens fornecem a imagem mais nítida até agora de galáxias recém-nascidas de massa muito baixa, que se formaram menos de mil milhões de anos após o Big Bang, e sugerem que as galáxias jovens têm um papel central na história da origem cósmica.

A equipe internacional de pesquisadores, incluindo dois astrofísicos da Penn State, publicou recentemente suas descobertas na revista natureza. Os espectros revelam parte da primeira luz visível de um período do universo conhecido como reionização, que foi alimentado pela chegada das primeiras estrelas e galáxias.

Imagens de campo profundo obtidas pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA forneceram os primeiros vislumbres de galáxias extremamente ténues que os investigadores identificaram como fortes candidatas a objetos que desencadearam a reionização do Universo. Fonte da imagem: Hakim Atiq/Universidade Sorbonne/JWST

O Universo Primordial: A Transição das Trevas para a Luz

A matéria normal no Universo começou como um nevoeiro quente e denso composto quase inteiramente por núcleos de hidrogénio e hélio, explicou Joel Lyga, professor assistente de astronomia e astrofísica na Penn State e autor do artigo. À medida que se expandia e esfriava, prótons e elétrons individuais começaram a se ligar, formando pela primeira vez hidrogênio neutro. Cerca de 500 a 900 milhões de anos depois a grande explosãoO hidrogénio neutro – que prevalecia no início do Universo – começou a separar-se novamente em gás ionizado, estimulando a formação de estrelas e galáxias e levantando o nevoeiro primordial para que a luz pudesse viajar livremente pelo Universo pela primeira vez.

“Algo foi acionado e começou a bombear fótons de energia muito alta para o vazio entre as galáxias”, disse Lyga. “Essas fontes agiram como faróis cósmicos que queimaram a névoa neutra de hidrogênio. Seja o que for, foi tão energético e persistente que todo o universo ficou ionizado novamente.”

Pioneiros da galáxia: o papel das galáxias de baixa massa

Ao analisar os espectros de galáxias pequenas e de baixa massa, os cientistas demonstraram que as pequenas galáxias eram fortes candidatas à “coisa” que reionizava o Universo, aquecendo o denso gás primordial à sua volta e ionizando o hidrogénio anteriormente neutro.

“Se outras galáxias de baixa massa no Universo são tão comuns e vibrantes como estas, então pensamos que finalmente chegámos aos faróis que queimaram a névoa cósmica,” disse Lyga. “Elas eram estrelas incrivelmente ativas em muitas, muitas galáxias pequenas.”

Leija acrescentou que se espera que a maioria das galáxias no universo primitivo sejam relativamente pequenas, o que torna muito difícil estudar a sua frequência e propriedades. Graças a um avanço tecnológico tornado possível pela combinação única da sensibilidade do Telescópio Espacial James Webb e do efeito de lente gravitacional do aglomerado Abell 2744 — galáxias próximas que agem como ampliadores cósmicos, distorcendo o espaço e amplificando a luz das galáxias de fundo — ele agora é possível determinar a abundância de pequenas galáxias e as suas propriedades ionizantes num período de mil milhões de anos, pela primeira vez no Universo.

“Descobrimos que as galáxias pequenas superam as galáxias massivas em cerca de cem para um durante esta época de reionização do universo”, disse Hakim Atiq, astrofísico da Universidade de Sorbonne, pesquisador do Instituto de Astrofísica de Paris e primeiro autor do artigo. disse em um comunicado de imprensa. “Estas novas observações também revelam que estas pequenas galáxias produziram uma grande quantidade de fotões ionizantes, excedendo quatro vezes os valores fundamentais normalmente assumidos para galáxias distantes. Isto significa que o fluxo total de fotões ionizantes emitidos por estas galáxias excede em muito o limite exigido para reionização.”

Traçando a evolução cósmica: direções futuras

A equipe da Penn State liderou a modelagem para a pesquisa UNCOVER, que teve como alvo o grande aglomerado de galáxias em primeiro plano que obteve imagens de galáxias menores e mais distantes. Pesquisadores da Penn State analisaram todos os minúsculos pontos de luz na varredura para compreender as propriedades do objeto, bem como sua massa e distâncias prováveis. Esta análise foi então usada para orientar as observações mais detalhadas do JWST que levaram a esta descoberta, explicou Lija.

Antes destes resultados, havia uma série de hipóteses que identificavam outras fontes responsáveis ​​pela reionização cósmica, tais como buracos negros supermassivos; Grandes galáxias com massa superior a um bilhão de massas solares; E pequenas galáxias com massa inferior a um bilhão de massas solares. Os investigadores afirmaram que confirmar a hipótese relativa às galáxias de baixa massa revelou-se particularmente difícil, dado o seu baixo brilho, mas os novos resultados fornecem a evidência mais clara de que as galáxias de baixa massa desempenharam um papel central na reionização do Universo.

Os investigadores querem agora expandir o estudo para uma escala maior para garantir que a localização específica que analisaram representa a distribuição média das galáxias no Universo. Para além do processo de reionização, as suas observações fornecem informações sobre o processo de formação estelar inicial, como as galáxias surgiram a partir do gás primordial e como evoluíram para o universo que conhecemos hoje.

Referência: “A maioria dos fótons que reionizaram o universo vieram de galáxias anãs” por Hakim Atiq, Ivo Lappé, Lukas J. Sedona H. Price, Pratika Dayal, Adi Zitrin, Vasily Kokorev, John R. Weaver, Gabriel Brammer, Peter van Dokkum, Christina C. Williams, Sam E. Cutler, Robert Feldman, Yoshinobu Fudamoto, Jenny E. Verde, Joel Leija, Michael V. Maceda, Adam Muzin, Richard Pan, Casey Papovich e Erika J. Nelson, Themia Nanayakkara e Daniel B. Stark, Mauro Stefanone e Katherine A. Suss, Bingjie Wang e Catherine E. Whitaker, 28 de fevereiro de 2024, natureza.
doi: 10.1038/s41586-024-07043-6

Bingyi Wang, pesquisadora de pós-doutorado em astrofísica, é a outra coautora do estudo da Penn State. Uma lista completa de autores e suas instituições está disponível no artigo publicado. Os pesquisadores reconhecem o financiamento e o apoio do Centro Nacional Francês de Estudos Espaciais, do Programa Nacional de Cosmologia e Galáxias, do CEA, do Cosmic Dawn Centre, da Fundação Nacional de Pesquisa Dinamarquesa, do Conselho Australiano de Pesquisa, do NOW, do Programa Rosalind Franklin do Fundo Comum da Comissão Europeia e a Universidade de Groningen. Fundação Nacional de Ciência EUA-Israel, Fundação Nacional de Ciência dos EUA (NSF), Ministério da Ciência e Tecnologia, Israel e NOIRLabÉ gerido pelo Consórcio de Universidades para Pesquisa em Astronomia sob um acordo de cooperação com a NSF.