O Telescópio Espacial James Webb revelou uma paisagem cósmica extraordinária no aglomerado de galáxias MACS J0454.1-0300, na constelação de Órion. A imagem mostra galáxias distantes esticadas, arqueadas e até repetidas no céu, como se o Universo tivesse construído uma gigantesca casa de espelhos — mas, neste caso, os espelhos são feitos de gravidade.

No centro da cena está um conjunto massivo de galáxias douradas. Ao redor delas, aparecem arcos alaranjados, manchas avermelhadas e formas deformadas que não correspondem à aparência real das galáxias observadas. Elas são imagens alteradas pela lente gravitacional criada pela enorme massa do aglomerado. E, graças à combinação da sensibilidade infravermelha do Webb com esse “telescópio natural” cósmico, os astrônomos estão observando detalhes de galáxias existentes quando o Universo ainda era extremamente jovem.

Um aglomerado que curva o espaço-tempo

O MACS J0454.1-0300 é um aglomerado de galáxias: uma estrutura gigantesca composta por muitas galáxias mantidas juntas pela gravidade. Cada uma dessas galáxias possui milhões, bilhões ou até centenas de bilhões de estrelas, além de gás, poeira, buracos negros e matéria escura. Juntas, elas formam uma das estruturas gravitacionalmente ligadas mais massivas do Universo.

Observações anteriores estimaram que esse aglomerado possui uma massa próxima de 180 trilhões de vezes a massa do Sol. Essa massa colossal não está concentrada apenas nas galáxias visíveis. Uma parcela importante está na forma de matéria escura, o componente invisível do Universo que não emite, absorve ou reflete luz de modo detectável diretamente, mas revela sua presença por meio de seus efeitos gravitacionais.

A imagem do Webb não mostra o aglomerado como ele é hoje. A luz emitida por suas galáxias viajou pelo espaço durante bilhões de anos antes de alcançar o telescópio. Por isso, estamos vendo o MACS J0454.1-0300 como ele era quando o Universo tinha aproximadamente 8 bilhões de anos — muito antes da época atual, estimada em cerca de 13,8 bilhões de anos após o Big Bang.

Mas a função mais fascinante desse aglomerado não é apenas ser um alvo astronômico distante. Sua enorme massa curva o próprio espaço-tempo ao redor dele, desviando a trajetória da luz emitida por galáxias ainda mais remotas, localizadas atrás do aglomerado em relação à nossa linha de visão.

É como se a gravidade do MACS J0454.1-0300 criasse uma lente cósmica gigantesca, capaz de ampliar e deformar a luz de objetos escondidos muito além dele.

O que é uma lente gravitacional?

A lente gravitacional é uma das consequências mais impressionantes da Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein. Na visão relativística, gravidade não é apenas uma força invisível puxando objetos uns em direção aos outros. Ela é a curvatura do espaço-tempo provocada pela presença de massa e energia.

Em uma analogia simplificada, imagine uma lona esticada. Se colocarmos uma bola pesada sobre ela, a superfície se curva. Objetos menores que passem pela região tenderão a seguir trajetórias alteradas por essa deformação. No Universo real, porém, não são apenas planetas e estrelas que se movem por essa geometria: a luz também percorre caminhos curvos quando passa perto de objetos muito massivos.

No caso de um aglomerado de galáxias como o MACS J0454.1-0300, a concentração de massa é tão grande que a luz de galáxias localizadas atrás dele pode ser desviada, esticada e ampliada antes de chegar à Terra. O resultado são imagens em forma de arco, curvas brilhantes, galáxias aparentemente alongadas e, em casos especiais, várias imagens de uma única galáxia de fundo.

Essa técnica é tão poderosa que permite aos astrônomos enxergar objetos que seriam fracos demais para serem detectados mesmo pelo James Webb. A lente gravitacional não substitui o telescópio: ela trabalha em conjunto com ele. O aglomerado fornece ampliação natural; o Webb fornece capacidade de registrar luz infravermelha extremamente fraca, distante e avermelhada pela expansão do Universo.

Em outras palavras, o Webb está olhando através de uma lente formada por galáxias, matéria escura e espaço-tempo curvado.

Galáxias deformadas e imagens repetidas

As galáxias douradas que dominam a região central da nova imagem pertencem ao próprio aglomerado MACS J0454.1-0300. Elas estão relativamente mais próximas de nós do que as galáxias distantes ampliadas pela lente gravitacional. Muitas têm formato elíptico, aparência suave e tonalidade amarelada, características frequentemente associadas a populações estelares mais velhas e com menor formação estelar ativa.

Por outro lado, várias das galáxias alaranjadas e avermelhadas vistas na imagem não fazem parte do aglomerado. Elas estão muito mais longe, no plano de fundo cósmico. A luz dessas galáxias precisou atravessar a região de espaço-tempo deformada pelo aglomerado antes de alcançar o Webb.

É por isso que algumas aparecem como arcos extensos e distorcidos. Elas não são, necessariamente, galáxias intrinsicamente curvas ou alongadas daquela forma. A aparência é uma consequência geométrica do desvio da luz.

O alinhamento entre observador, lente gravitacional e galáxia de fundo determina quão intensa será a distorção. Em um alinhamento menos favorável, a lente pode apenas alterar levemente a forma aparente da galáxia. Em alinhamentos mais precisos, pode criar arcos longos, anéis quase completos — conhecidos como anéis de Einstein — ou múltiplas imagens de um mesmo objeto.

Esse último caso é particularmente importante no MACS J0454.1-0300.

Os pesquisadores identificaram duas regiões distintas na imagem em que a lente gravitacional criou múltiplas imagens de galáxias jovens do Universo primitivo. É a primeira vez que esse tipo de configuração rara é identificado mais de uma vez no mesmo aglomerado de galáxias.

Para que um objeto de fundo seja visto quatro vezes, por exemplo, a posição da galáxia distante, a distribuição de massa do aglomerado e o alinhamento com o observador precisam ser extremamente favoráveis. Não basta haver um aglomerado massivo no caminho: a geometria precisa estar quase perfeitamente ajustada.

A ESA afirma que configurações com quatro ou mais imagens do mesmo objeto são vistas em apenas cerca de 10% a 20% dos aglomerados de galáxias. O Webb encontrou duas dessas regiões no mesmo alvo, transformando o MACS J0454.1-0300 em um laboratório particularmente valioso para estudar lente gravitacional forte, matéria escura, galáxias primitivas e formação estelar no Universo jovem.

Uma janela para galáxias do Universo jovem

As regiões ampliadas pela lente gravitacional no MACS J0454.1-0300 revelam objetos de uma época muito mais antiga do que o próprio aglomerado observado em primeiro plano.

Uma das regiões contém um grupo de galáxias visto quando o Universo tinha apenas cerca de 2 bilhões de anos após o Big Bang. Os dados indicam que essas galáxias podem estar passando por uma fusão, processo no qual duas ou mais galáxias interagem e eventualmente se combinam.

Fusões galácticas podem comprimir enormes reservas de gás interestelar. Quando isso acontece, o gás se torna mais denso, colapsa sob sua própria gravidade e forma novas estrelas em ritmo acelerado. O resultado pode ser uma intensa explosão de formação estelar, também conhecida como starburst.

Esse tipo de processo ajuda os astrônomos a entender como as primeiras galáxias cresceram. O Universo primitivo era um ambiente muito mais dinâmico, rico em gás e marcado por interações frequentes entre galáxias. Grandes galáxias como a Via Láctea não surgiram prontas: elas foram construídas ao longo de bilhões de anos, por meio de formação estelar, fusões, acreção de gás e interações gravitacionais.

A segunda região ampliada contém uma galáxia observada quando o Universo tinha apenas cerca de 800 milhões de anos. Isso significa que sua luz foi emitida em uma fase extremamente inicial da história cósmica, quando as primeiras gerações de galáxias ainda estavam transformando o Universo.

Nessa época, o cosmos atravessava ou tinha acabado de atravessar um período decisivo conhecido como reionização cósmica. Após o Big Bang, o Universo passou por uma fase quente e ionizada, depois esfriou o suficiente para que elétrons e prótons formassem átomos neutros. Mais tarde, as primeiras estrelas, galáxias e buracos negros começaram a emitir radiação ultravioleta intensa, reionizando grande parte do gás de hidrogênio presente entre as galáxias.

Entender quais objetos forneceram essa radiação, como as primeiras galáxias produziram estrelas e de que forma a luz conseguiu escapar de seus ambientes gasosos é um dos grandes objetivos da astronomia moderna. O James Webb foi construído, em parte, para investigar justamente esse período.

Ampliação de mais de 300 vezes

Um dos detalhes mais impressionantes anunciados pela equipe é a identificação de pequenos “nós” brilhantes dentro das regiões ampliadas pela lente gravitacional. Esses nós podem corresponder a áreas compactas de formação estelar, aglomerados estelares jovens ou estruturas luminosas dentro das galáxias distantes.

Graças à ampliação fornecida pelo MACS J0454.1-0300, algumas dessas regiões aparecem magnificadas por um fator superior a 300 vezes. Isso permitiu aos astrônomos investigar estruturas com dimensões de apenas cerca de 5 anos-luz.

Para colocar isso em perspectiva, 5 anos-luz é uma escala pequena em termos galácticos. A Via Láctea tem aproximadamente 100 mil anos-luz de diâmetro. Uma galáxia distante inteira pode ter milhares ou dezenas de milhares de anos-luz de extensão. Portanto, enxergar características de apenas alguns anos-luz em galáxias do Universo jovem é algo extraordinário.

Esse resultado não significa que o Webb vê diretamente cada estrela individual nesses sistemas distantes. O que ele detecta são regiões extremamente brilhantes e ampliadas, cujas propriedades podem revelar muito sobre a formação estelar. Em alguns casos, a combinação entre lentes gravitacionais e a resolução do telescópio pode tornar possível investigar aglomerados estelares ou até estrelas individuais temporariamente ampliadas.

Há um limite, porém: lentes gravitacionais não ampliam tudo de maneira simples e uniforme. A magnificação varia conforme a posição da fonte no céu, a distribuição de massa no aglomerado e a geometria do alinhamento. Uma região da galáxia pode ser amplificada muito mais do que outra. Além disso, a lente pode deformar a imagem, dificultando a reconstrução da forma original do objeto.

É por isso que os astrônomos usam modelos detalhados de lente gravitacional. Eles comparam as posições, cores e formas dos arcos observados para reconstruir a distribuição de massa do aglomerado e inferir como as galáxias de fundo realmente são.

A matéria escura deixa sua assinatura

Uma das aplicações mais importantes de aglomerados como o MACS J0454.1-0300 é o estudo da matéria escura.

A matéria visível — estrelas, gás, poeira, planetas e galáxias — representa apenas uma pequena parcela do conteúdo total do Universo. A maior parte da matéria é invisível e detectada por seus efeitos gravitacionais. Ela influencia a rotação das galáxias, o movimento de aglomerados galácticos, a estrutura em grande escala do Universo e a evolução cósmica.

Em um aglomerado de galáxias, a matéria escura contribui de maneira decisiva para a massa total. Como ela não brilha, os astrônomos não podem fotografá-la diretamente. Mas podem mapear sua distribuição observando como ela curva a luz de galáxias de fundo.

Se um arco aparece em uma posição específica, ou se uma galáxia distante é repetida quatro vezes, isso revela algo sobre a quantidade e a distribuição da massa entre nós e aquela fonte. Ao reunir muitas imagens múltiplas e arcos gravitacionais, os pesquisadores conseguem criar mapas da massa do aglomerado.

Esses mapas mostram onde está a matéria visível, onde está a matéria escura e como ambas se distribuem. Isso é fundamental para testar modelos de evolução de aglomerados, estudar colisões entre estruturas cósmicas e investigar a natureza da matéria escura.

As lentes gravitacionais, portanto, funcionam de duas maneiras ao mesmo tempo:

• Elas ampliam objetos distantes, permitindo estudar galáxias do Universo primordial.
• Elas revelam a distribuição de massa invisível no aglomerado que atua como lente.

A NASA destaca que grande parte da massa responsável pelos efeitos de lente em aglomerados é matéria escura. Por isso, mapear as distorções de galáxias de fundo ajuda os cientistas a rastrear a estrutura invisível que sustenta os maiores sistemas gravitacionalmente ligados do cosmos.

Webb versus Hubble: uma diferença impressionante

O MACS J0454.1-0300 não é um alvo novo. O Telescópio Espacial Hubble já havia registrado o aglomerado, e uma imagem foi divulgada em março de 2014. Naquela observação, o Hubble mostrou galáxias do aglomerado, arcos de lente gravitacional e a enorme capacidade do sistema de ampliar objetos distantes.

A comparação com a imagem do James Webb, porém, é impressionante.

O Hubble foi revolucionário para a astronomia e continua sendo uma das missões científicas mais importantes da história. Ele observa principalmente em luz visível e ultravioleta, além de parte do infravermelho próximo. O Webb, por sua vez, foi otimizado para o infravermelho e possui uma capacidade muito maior de captar a luz avermelhada de objetos distantes.

Essa diferença é crucial para observar o Universo jovem.

À medida que o Universo se expande, a luz de galáxias muito distantes é esticada ao longo de sua viagem cósmica. Esse efeito é chamado de desvio para o vermelho, ou redshift. A luz que saiu dessas galáxias em comprimentos de onda ultravioleta ou visível pode chegar até nós no infravermelho.

Por isso, muitas galáxias que eram difíceis ou impossíveis de detectar pelo Hubble aparecem com muito mais clareza para o Webb. A nova imagem revela centenas de galáxias que não estavam visíveis na observação anterior, não porque elas tenham surgido depois, mas porque o Webb consegue detectar sua emissão infravermelha com muito mais eficiência.

A diferença também está na resolução, na sensibilidade e na capacidade de combinar observações em vários filtros infravermelhos. A imagem do Webb foi construída usando dados da NIRCam em comprimentos de onda entre 0,9 e 4,44 micrômetros. As cores não são uma representação literal do que o olho humano veria. Elas foram atribuídas a diferentes faixas de comprimento de onda para destacar estruturas, populações estelares e propriedades físicas distintas.

Assim, os tons dourados, alaranjados, vermelhos e azulados ajudam os pesquisadores — e o público — a separar visualmente diferentes componentes da cena cósmica.

Dois programas científicos observando o aglomerado

Os dados usados para criar a imagem fazem parte de dois programas científicos do Webb: o programa 5058, liderado por Lukas Furtak, e o programa 6882, liderado por Seiji Fujimoto. Ambos exploram justamente o potencial de grandes aglomerados de galáxias como lentes gravitacionais naturais.

O primeiro programa busca estrelas individuais fortemente ampliadas por lente gravitacional nos primeiros bilhões de anos do Universo. A equipe pretende monitorar uma galáxia ampliada presente no campo de visão do MACS J0454.1-0300 à procura de sinais de estrelas isoladas que possam se tornar visíveis temporariamente por efeitos extremos de ampliação.

Isso pode acontecer quando uma estrela, um remanescente compacto ou outra concentração de massa dentro do próprio aglomerado atravessa a linha de visão de uma fonte de fundo. Esse fenômeno, chamado de microlente gravitacional, pode aumentar temporariamente o brilho de uma estrela muito distante.

O segundo programa observa uma grande amostra de aglomerados de galáxias em diversos comprimentos de onda. O objetivo é estudar como a formação estelar começou, como as primeiras galáxias evoluíram e de que modo suas populações estelares, poeira e gás mudaram com o tempo cósmico.

Esse tipo de estudo é essencial porque o Webb não foi projetado apenas para encontrar as galáxias mais distantes possíveis. Ele também foi construído para entender como esses sistemas funcionavam: que tipo de estrelas continham, quanto gás possuíam, quão rapidamente formavam estrelas, como interagiam com outras galáxias e de que forma contribuíram para a evolução do Universo.

Uma casa de espelhos que revela o passado

A expressão “casa de espelhos cósmica” descreve perfeitamente o que vemos na imagem: galáxias que parecem surgir em posições diferentes, imagens repetidas, arcos esticados e formas que desafiam nossa intuição visual.

Mas há uma diferença essencial entre um espelho comum e uma lente gravitacional. Um espelho reflete luz. Uma lente gravitacional curva o espaço-tempo e desvia a trajetória da luz. Além disso, ela pode criar diferentes caminhos para que a luz de uma mesma galáxia chegue até nós.

Isso significa que imagens múltiplas de um objeto podem até representar momentos ligeiramente diferentes de sua história. Como cada caminho tem comprimento e geometria diferentes, a luz pode chegar à Terra com atrasos distintos. Em outros sistemas de lente gravitacional, astrônomos já usaram esse efeito para prever o reaparecimento de supernovas, como ocorreu com a supernova Refsdal, observada em múltiplas imagens no aglomerado MACS J1149.6+2223.

No MACS J0454.1-0300, o grande destaque é a combinação de duas configurações raras de múltiplas imagens, a ampliação extrema de estruturas diminutas e a possibilidade de investigar galáxias existentes centenas de milhões de anos após o Big Bang.

Essa imagem não é apenas bonita. Ela é um mapa de curvatura do espaço-tempo, uma janela para a matéria escura e uma máquina do tempo observacional.

Quando olhamos para os arcos avermelhados e alaranjados ao redor do aglomerado, não estamos vendo simples manchas de luz. Estamos observando galáxias que existiam quando o Universo ainda aprendia a construir suas primeiras grandes estruturas. Sua luz atravessou bilhões de anos-luz, foi desviada pela massa de um aglomerado colossal e, por fim, foi registrada pelos detectores infravermelhos do James Webb.

É um lembrete poderoso de que o Universo não é apenas vasto: ele é geometricamente estranho, gravitacionalmente complexo e capaz de transformar aglomerados inteiros de galáxias em telescópios naturais.