Com o lançamento do Telescópio Espacial James Webb, os astrónomos são agora capazes de perscrutar um tempo tão distante que nos aproximamos da época em que pensamos que as primeiras galáxias foram criadas. Ao longo da maior parte da história do universo, as galáxias aparentemente tendem a seguir uma estreita relação entre quantas estrelas formaram e quantos elementos pesados ??formaram.

Mas pela primeira vez vemos agora sinais de que esta relação entre a quantidade de estrelas e de elementos não se aplica às primeiras galáxias. A razão provável é que estas galáxias simplesmente estejam em processo de criação e ainda não tenham tido tempo para criar os elementos pesados.

O universo está repleto de galáxias – imensas coleções de estrelas e gás – e à medida que olhamos profundamente no cosmos, vemos-nas de perto e de longe. Como a luz passou mais tempo a chegar até nós, quanto mais longe está uma galáxia, estamos essencialmente a olhar para trás no tempo, o que nos permite construir uma narrativa visual da sua evolução ao longo da história do universo.

As observações mostraram-nos que as galáxias ao longo dos últimos 12 mil milhões de anos - ou seja, 5/6 da idade do Universo - têm vivido a sua vida numa forma de equilíbrio: parece haver uma relação estreita e fundamental entre, por um lado, quantas estrelas formaram e, por outro lado, quantos elementos pesados ??formaram. Neste contexto, “elementos pesados” significa tudo mais pesado que o hidrogênio e o hélio.

Esta relação faz sentido, porque o universo consistia originalmente apenas destes dois elementos mais leves. Todos os elementos mais pesados, como carbono, oxigênio e ferro, foram criados posteriormente pelas estrelas.

As primeiras galáxias deveriam, portanto, ser “não poluídas” por elementos pesados. Mas até recentemente não conseguíamos olhar tão longe no tempo. Além de estar distante, a razão é que quanto mais tempo a luz viaja pelo espaço, mais vermelha ela fica. Para as galáxias mais distantes é preciso olhar até a parte infravermelha do espectro, e somente com o lançamento de James Webb é que tivemos um telescópio grande e sensível o suficiente para ver até agora.

E o telescópio espacial não decepcionou: James Webb quebrou vários recordes para a galáxia mais distante, e agora parece finalmente que estamos chegando à época em que algumas das primeiras galáxias foram criadas.

Em um novo estudo, publicado em 21 de setembro na revista Nature Astronomy , uma equipe de astrônomos do centro de pesquisa dinamarquês Cosmic Dawn Center do Instituto Niels Bohr e do DTU Space em Copenhague, descobriu o que parece ser de fato um dos primeiros galáxias que ainda estão em processo de formação.

"Até recentemente era quase impossível estudar como as primeiras galáxias se formaram no Universo primordial, uma vez que simplesmente não tínhamos a instrumentação adequada. Isto mudou completamente com o lançamento de James Webb," afirma Kasper Elm Heintz. , líder do estudo e professor assistente do Cosmic Dawn Center.

Este gráfico mostra as galáxias observadas num "diagrama de massa elemento-estelar": quanto mais à direita uma galáxia está, mais massiva ela é, e quanto mais acima, mais elementos pesados ??ela contém. Os ícones cinza representam galáxias no universo atual, enquanto os vermelhos mostram as novas observações de galáxias primitivas. Estas têm claramente elementos muito menos pesados ??do que as galáxias posteriores, mas concordam aproximadamente com as previsões teóricas, indicadas pela faixa azul. Crédito: Kasper Elm Heintz, Peter Laursen. Crédito: Astronomia da Natureza (2023). DOI: 10.1038/s41550-023-02078-7

A relação entre a massa estelar total da galáxia e a quantidade de elementos pesados ??é um pouco mais complexa do que isso. A rapidez com que a galáxia produz novas estrelas também tem algo a dizer. Mas se você corrigir isso, obterá uma relação linear e bonita: quanto mais massiva a galáxia, mais elementos pesados.

Mas esta relação está agora a ser desafiada pelas últimas observações.

"Quando analisamos a luz de 16 destas primeiras galáxias, vimos que tinham significativamente menos elementos pesados, em comparação com o que seria de esperar das suas massas estelares e da quantidade de novas estrelas que produziram," diz Kasper Elm Heintz.

Na verdade, as galáxias revelaram ter, em média, quatro vezes menos quantidades de elementos pesados ??do que no universo posterior. Estes resultados contrastam fortemente com o modelo actual, onde as galáxias evoluem numa forma de equilíbrio ao longo da maior parte da história do Universo .

O resultado não é totalmente surpreendente. Modelos teóricos de formação de galáxias, baseados em programas de computador detalhados, preveem algo semelhante. Mas agora vimos isso.

A explicação, proposta pelos autores no artigo, é simplesmente que estamos testemunhando galáxias em processo de criação. A gravidade reuniu os primeiros aglomerados de gás, que começaram a formar estrelas.

Se as galáxias vivessem então suas vidas sem serem perturbadas, as estrelas rapidamente as enriqueceriam com elementos pesados . Mas entre as galáxias naquela época havia grandes quantidades de gás fresco e não poluído, fluindo para as galáxias mais rápido do que as estrelas conseguem acompanhar.

“O resultado dá-nos a primeira visão sobre as fases iniciais da formação de galáxias, que parecem estar mais intimamente ligadas ao gás entre as galáxias do que pensávamos.

“Esta é uma das primeiras observações de James Webb sobre este tópico, por isso ainda estamos à espera para ver o que as observações maiores e mais abrangentes que estão a ser realizadas atualmente podem nos dizer.

“Não há dúvida de que em breve teremos uma compreensão muito mais clara de como as galáxias e as primeiras estruturas começaram a sua formação durante os primeiros mil milhões de anos após o Big Bang,” conclui Kasper Elm Heintz.