O Telescópio Espacial James Webb (JWST) é o maior e mais poderoso telescópio espacial construído até hoje. Desde que foi lançado em dezembro de 2021, ele tem fornecido insights inovadores. Isso inclui a descoberta das primeiras e mais distantes galáxias conhecidas , que existiram apenas 300 milhões de anos após o Big Bang.

Objetos distantes também são muito antigos porque demora muito tempo para a luz desses objetos chegar aos telescópios. O JWST agora encontrou várias dessas galáxias muito antigas. Estamos efetivamente olhando para trás no tempo para esses objetos, vendo-os como eles pareciam logo após o nascimento do universo.

Essas observações do JWST concordam com nossa compreensão atual da cosmologia — a disciplina científica que visa explicar o universo — e da formação de galáxias . Mas elas também revelam aspectos que não esperávamos. Muitas dessas galáxias primitivas brilham muito mais intensamente do que esperaríamos, dado que elas existiram pouco tempo depois do Big Bang.

Acredita-se que galáxias mais brilhantes tenham mais estrelas e mais massa. Acreditava-se que muito mais tempo era necessário para que esse nível de formação estelar acontecesse. Essas galáxias também têm buracos negros em crescimento ativo em seus centros — um sinal de que esses objetos amadureceram rapidamente após o Big Bang. Então, como podemos explicar essas descobertas surpreendentes? Elas quebram nossas ideias de cosmologia ou exigem uma mudança na idade do universo?

Cientistas conseguiram estudar essas galáxias antigas combinando as imagens detalhadas do JWST com suas poderosas capacidades de espectroscopia. A espectroscopia é um método para interpretar a radiação eletromagnética que é emitida ou absorvida por objetos no espaço. Isso, por sua vez, pode lhe dizer sobre as propriedades de um objeto.

Nossa compreensão da cosmologia e da formação de galáxias repousa em algumas ideias fundamentais. Uma delas é o princípio cosmológico, que afirma que, em larga escala, o universo é homogêneo (o mesmo em todos os lugares) e isotrópico (o mesmo em todas as direções). Combinado com a teoria da relatividade geral de Einstein , esse princípio nos permite conectar a evolução do universo — como ele se expande ou se contrai — ao seu conteúdo de energia e massa.

O modelo cosmológico padrão, conhecido como teoria do "Hot Big Bang", inclui três componentes principais, ou ingredientes. Um é a matéria comum que podemos ver com nossos olhos em galáxias, estrelas e planetas. Um segundo ingrediente é a matéria escura fria (CDM), partículas de matéria de movimento lento que não emitem, absorvem ou refletem luz.

O terceiro componente é o que é conhecido como constante cosmológica (?, ou lambda). Isso está ligado a algo chamado energia escura e é uma maneira de explicar o fato de que a expansão do universo está acelerando . Juntos, esses componentes formam o que é chamado de modelo ?CDM de cosmologia.

A energia escura representa cerca de 68% do conteúdo energético total do universo atual.

Apesar de não ser diretamente observável com instrumentos científicos, acredita-se que a matéria escura compõe a maior parte da matéria no cosmos e compreende cerca de 27% da massa total e do conteúdo energético do universo.

Embora a matéria escura e a energia escura permaneçam misteriosas, o modelo ?CDM de cosmologia é apoiado por uma ampla gama de observações detalhadas. Estas incluem a medição da expansão do universo, o fundo cósmico de micro-ondas, ou CMB (o "brilho posterior" do Big Bang) e o desenvolvimento de galáxias e sua distribuição em larga escala — por exemplo, a maneira como as galáxias se aglomeram.

O modelo CDM estabelece as bases para nossa compreensão de como as galáxias se formam e evoluem. Por exemplo, o CMB, que foi emitido cerca de 380.000 anos após o Big Bang , fornece um instantâneo das primeiras flutuações na densidade que ocorreram no universo primitivo. Essas flutuações, particularmente na matéria escura, eventualmente se desenvolveram nas estruturas que observamos hoje, como galáxias e estrelas.

A formação de galáxias consiste em processos complexos influenciados por vários fenômenos físicos diferentes. Alguns desses mecanismos não são totalmente compreendidos, como quais processos governam como o gás nas galáxias esfria e condensa para formar estrelas.

Os efeitos de supernovas, ventos estelares e buracos negros que emitem quantidades significativas de energia (às vezes chamados de núcleos galáticos ativos, ou AGN) podem aquecer ou expelir gás de galáxias. Isso, por sua vez, pode impulsionar ou restringir a formação de estrelas e, portanto, influenciar o crescimento de galáxias.

A eficiência e a escala desses "processos de feedback", bem como seu impacto cumulativo ao longo do tempo, são mal compreendidas. Eles são uma fonte significativa de incerteza em modelos matemáticos, ou simulações, de formação de galáxias.

Avanços significativos em simulações numéricas complexas de formação de galáxias foram feitos nos últimos dez anos. Insights e dicas ainda podem ser obtidos de simulações e modelos mais simples que relacionam a formação de estrelas à evolução de halos de matéria escura. Esses halos são estruturas massivas e invisíveis feitas de matéria escura que efetivamente ancoram galáxias dentro delas.

Um dos modelos mais simples de formação de galáxias assume que a taxa na qual as estrelas se formam em uma galáxia está diretamente ligada ao gás fluindo para essas galáxias. Este modelo também propõe que a taxa de formação de estrelas em uma galáxia é proporcional à taxa na qual os halos de matéria escura crescem. Ele assume uma eficiência fixa na conversão de gás em estrelas, independentemente do tempo cósmico.

Este modelo de "eficiência constante de formação de estrelas" é consistente com o aumento dramático da formação de estrelas no primeiro bilhão de anos após o Big Bang. O rápido crescimento dos halos de matéria escura durante este período teria fornecido as condições necessárias para que as galáxias formassem estrelas de forma eficiente. Apesar de sua simplicidade, este modelo previu com sucesso uma ampla gama de observações reais, incluindo a taxa geral de formação de estrelas ao longo do tempo cósmico.

O JWST inaugurou uma nova era de descobertas. Com seus instrumentos avançados, o telescópio espacial pode capturar imagens detalhadas e espectros de alta resolução — gráficos que mostram a intensidade da radiação eletromagnética emitida ou absorvida por objetos no céu. Para o JWST, esses espectros estão na região do infravermelho próximo do espectro eletromagnético. Estudar essa região é crucial para observar galáxias primitivas cuja luz óptica se transformou em infravermelho próximo (ou "deslocou para o vermelho") conforme o universo se expandiu.

Redshift descreve como os comprimentos de onda da luz das galáxias se esticam à medida que viajam. Quanto mais distante uma galáxia estiver, maior será seu redshift.

Nos últimos dois anos, o JWST identificou e caracterizou galáxias em redshifts com valores entre dez e 15. Essas galáxias , que se formaram cerca de 200–500 milhões de anos após o Big Bang, são relativamente pequenas para galáxias (cerca de 100 parsecs, ou 3 quatrilhões de quilômetros, de diâmetro). Cada uma delas consiste em cerca de 100 milhões de estrelas e forma novas estrelas a uma taxa de cerca de uma estrela semelhante ao Sol por ano.

Embora isso não pareça muito impressionante, isso implica que esses sistemas dobram seu conteúdo de estrelas em apenas 100 milhões de anos. Para efeito de comparação, nossa própria galáxia, a Via Láctea, leva cerca de 25 bilhões de anos para dobrar sua massa estelar.

As descobertas surpreendentes do JWST de galáxias brilhantes em altos redshifts, ou distâncias, podem implicar que essas galáxias amadureceram mais rápido do que o esperado após o Big Bang. Isso é importante porque desafiaria os modelos existentes de formação de galáxias. O modelo de eficiência de formação de estrelas constante descrito acima, embora eficaz em explicar muito do que vemos, luta para explicar o grande número de galáxias brilhantes e distantes observadas com um redshift de mais de dez com um redshift de mais de dez.

Para lidar com isso, os cientistas estão explorando várias possibilidades. Isso inclui mudanças em suas teorias sobre quão eficientemente o gás é convertido em estrelas ao longo do tempo. Eles também estão reconsiderando a importância relativa dos processos de feedback — como fenômenos como supernovas e buracos negros também ajudam a regular a formação de estrelas.

Algumas teorias sugerem que a formação de estrelas no universo primitivo pode ter sido mais intensa ou "explosiva" do que se pensava anteriormente, levando ao rápido crescimento dessas galáxias primitivas e ao seu brilho aparente.

Outros propõem que diferentes fatores, como menores quantidades de poeira galáctica, uma distribuição mais densa de massas estelares ou contribuições de fenômenos como buracos negros ativos, poderiam ser responsáveis pelo brilho inesperado dessas galáxias primitivas.

Essas explicações invocam mudanças na física de formação de galáxias para explicar as descobertas do JWST. Mas os cientistas também têm considerado modificações em teorias cosmológicas amplas. Por exemplo, a abundância de galáxias brilhantes e primitivas poderia ser parcialmente explicada por uma mudança em algo chamado espectro de potência da matéria. Esta é uma maneira de descrever diferenças de densidade no universo.

Um possível mecanismo para alcançar essa mudança no espectro de potência da matéria é um fenômeno teórico chamado "energia escura inicial" . Essa é a ideia de que uma nova fonte de energia cosmológica com similaridades à energia escura pode ter existido em tempos antigos, em um desvio para o vermelho de 3.000. Isso é antes da emissão do CMB e apenas 380.000 anos após o Big Bang.

Essa energia escura inicial teria decaído rapidamente após o estágio da evolução do universo conhecido como recombinação. Curiosamente, a energia escura inicial também poderia aliviar a tensão de Hubble – uma discrepância entre diferentes estimativas da idade do universo .

Um artigo publicado em 2023 sugeriu que as descobertas galácticas do JWST exigiam que os cientistas estendessem a idade do universo em vários bilhões de anos.

No entanto, outros fenômenos podem ser responsáveis pelas galáxias brilhantes. Antes que as observações do JWST sejam usadas para invocar mudanças em ideias amplas de cosmologia, uma compreensão mais detalhada dos processos físicos em galáxias é essencial.

O atual detentor do recorde para a galáxia mais distante — identificada pelo JWST — é chamado JADES-GS-z14-0 . Os dados coletados até agora indicam que essas galáxias têm uma grande diversidade de propriedades diferentes.

Algumas galáxias mostram sinais de hospedar buracos negros que estão emitindo energia, enquanto outras parecem ser consistentes com a hospedagem de populações jovens e livres de poeira de estrelas. Como essas galáxias são fracas e observá-las é caro (leva tempos de exposição de muitas horas), apenas 20 galáxias para as quais o desvio para o vermelho é maior que dez foram observadas com espectroscopia até o momento, e levará anos para construir uma amostra estatística.

Um ângulo de ataque diferente poderia ser observações de galáxias em tempos cósmicos posteriores, quando o universo tinha de 1 bilhão a 2 bilhões de anos (redshifts entre três e nove). As capacidades do JWST dão aos pesquisadores acesso a indicadores cruciais de estrelas e gás nesses objetos que podem ser usados ??para restringir a história geral da formação de galáxias.

No primeiro ano de operação do JWST, foi alegado que algumas das primeiras galáxias tinham massas estelares extremamente altas (as massas de estrelas contidas nelas) e uma mudança na cosmologia era necessária para acomodar galáxias brilhantes que existiam no universo muito antigo. Elas foram até mesmo apelidadas de galáxias "quebra-universos" .

Logo depois, ficou claro que essas galáxias não quebram o universo, mas suas propriedades podem ser explicadas por uma gama de fenômenos diferentes. Melhores dados observacionais mostraram que as distâncias para alguns dos objetos foram superestimadas (o que levou a uma superestimação de suas massas estelares).

A emissão de luz dessas galáxias pode ser alimentada por outras fontes além de estrelas, como buracos negros em acreção. Suposições em modelos ou simulações também podem levar a vieses na massa total de estrelas nessas galáxias.

À medida que o JWST continua sua missão, ele ajudará os cientistas a refinar seus modelos e responder algumas das perguntas mais fundamentais sobre nossas origens cósmicas. Ele deve revelar ainda mais segredos sobre os primeiros dias do universo, incluindo o quebra-cabeça dessas galáxias brilhantes e distantes.