Entre suas outras realizações e quebra-cabeças notáveis, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) encontrou um número maior de galáxias brilhantes no universo distante do que o esperado. Enquanto os cientistas ainda debatem o excesso, um grupo de pesquisa propôs que explosões de raios gama podem ser usadas como uma sonda poderosa para examinar o excedente, o que também poderia observar a formação de estrelas e galáxias no universo distante e primitivo.

O JWST observou recentemente a galáxia mais distante já observada, que se formou apenas 300 milhões de anos após o Big Bang. Ela está agora na extremidade mais distante do universo observável, onde os objetos estão se afastando quase na velocidade da luz.

Viajando tão rápido em relação à Terra, a luz desses objetos tem um desvio para o vermelho significativo quando chega aqui. Seus comprimentos de onda são esticados para que sejam significativamente maiores do que quando foram emitidos, chamado de efeito Doppler (familiar para nós pela mudança nas frequências sonoras quando um veículo se afasta de nossos ouvidos).

A razão entre o comprimento de onda observado e o comprimento de onda emitido é chamada de fator z, um parâmetro amplamente utilizado por astrônomos e astrofísicos.

A galáxia mais distante observada tinha um fator z de 14,32. O JWST também encontrou mais galáxias brilhantes em az de 10 ou maior do que o esperado a partir de extrapolações de seus números em z menor. (Aqui, "brilhante" significa luz ultravioleta; z=10 corresponde a uma velocidade recessional de 98,4 por cento da velocidade da luz.)

Várias explicações para esse excesso foram apresentadas, como a formação ativa de estrelas e uma função de massa inicial de topo pesado que produz mais radiação ultravioleta , mas a causa ainda permanece obscura. É uma questão importante, já que o espectro de luminosidade ultravioleta contém informações importantes sobre a história de montagem dessas galáxias, sua atividade de formação de estrelas e a população estelar do universo distante.

Com colegas, Tatsuya Matsumoto da Universidade de Kyoto no Japão explorou o potencial de explosões de raios gama de alta z para explicar a origem do excesso de formação de estrelas e galáxias brilhantes. O trabalho deles, publicado no servidor de pré-impressão arXiv , foi submetido ao Astrophysical Journal Letters.

Eles usaram dados coletados pela Sonda Einstein, um telescópio espacial de raios X lançado principalmente pela China em janeiro de 2024. A Sonda Einstein tem o Telescópio de Raios X Amplo, que é vantajoso para observar explosões de raios gama de alta resolução; ele observou recentemente uma explosão de raios gama em um valor de resolução de 4,859.

Matsumoto disse que se uma das possíveis razões para o excesso de JWST "é que as estrelas são formadas de forma mais eficiente nessas galáxias , as explosões de raios gama devem ocorrer com mais frequência e podem ser detectadas pela Sonda Einstein". Em particular, eles descobriram que "a taxa de formação de explosões de raios gama pode ter comportamentos diferentes em z = 10 ou mais, e a detecção da taxa pela Sonda Einstein ou futuras missões de explosões de raios gama esclarecerão a causa do excesso de JWST".

Explosões de raios gama são eventos explosivos no universo — na verdade, os eventos mais brilhantes e extremos vistos no universo. Com duração de cerca de dez milissegundos a várias horas, acredita-se que sua radiação intensa seja liberada quando uma estrela se torna uma supernova e então implode. (Outras parecem ser criadas pela fusão de duas estrelas de nêutrons.) Elas são extremamente raras — apenas algumas por galáxia por milhão de anos — e a maioria das explosões de raios gama observadas estão a bilhões de anos-luz de distância de nós.

Uma explosão típica de raios gama (GRB) liberará tanta energia em apenas alguns segundos quanto o sol em toda a sua vida útil de dez bilhões de anos. Se tal explosão ocorresse na Via Láctea, e seu jato fosse apontado diretamente para a Terra, acabaria com a maior parte da vida no planeta. GRBs vêm em dois tipos: "curtas", com durações menores que cerca de 2 segundos, e "longas", com durações maiores que 2 segundos. GRBs curtas compõem cerca de 30% de todas as GRBs, e GRBs longas, 70%.

O número de GRBs no universo inicial foi mal restringido devido às limitações dos detectores disponíveis anteriormente. Para superar isso, Matsumoto e sua equipe desenvolveram uma relação analítica complexa entre a variância nas taxas de formação de GRBs conforme z varia, ou seja, conforme o tempo volta ao universo inicial. "Como longas explosões de raios gama são produzidas pelo colapso de estrelas massivas", eles escreveram, "elas sondam as atividades de formação de estrelas no alto z do universo, rastreando diretamente o histórico de formação de estrelas."

Importante, eles descobrem que a distribuição de GRBs com desvio para o vermelho depende da causa potencial do excesso de JWST. Se o excedente for causado por uma elevação da taxa inerente de formação de estrelas, a distribuição de desvio para o vermelho mostrará um excesso em z cerca de 10 ou maior. Se uma transição da função de massa inicial para uma função de massa pesada no topo criar o excesso de JWST, a distribuição de desvio para o vermelho também mostrará um excesso, mas em um grau diferente. Se outros efeitos causarem o excedente de JWST, como uma contribuição de núcleos galácticos ativos, a distribuição extrapolará suavemente além de az de 10.

Mais dados GRB devem esclarecer a razão do excesso. "Além da Sonda Einstein", disse Matsumoto, "missões futuras como HiZ-GUNDAM detectarão explosões de raios gama e aprofundarão nossa compreensão do universo primitivo."