Liderada pelo Professor Assistente Takuya Hashimoto da Universidade de Tsukuba, Japão, e pelo Pesquisador Javier Álvarez-Márquez do Centro Espanhol de Astrobiologia, uma colaboração internacional utilizou o Telescópio Espacial James Webb (JWST) e o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para observar o protocluster de galáxias mais distante já registrado, situado a impressionantes 13,14 bilhões de anos-luz de distância. Esta observação profunda revelou o núcleo densamente povoado deste protocluster, indicando um crescimento acelerado de galáxias. Simulações sugerem que esta região se fundirá em uma única galáxia massiva nos próximos dezenas de milhões de anos, oferecendo insights cruciais sobre o nascimento e a evolução precoce das galáxias.
O estudo das origens e do ciclo de vida das estrelas em galáxias, bem como de como novas estrelas se formam a partir de remanescentes de estrelas antigas e como as galáxias crescem, são temas fundamentais na astronomia, pois fornecem uma visão de nossas raízes no Universo. Os aglomerados de galáxias, que são uma das estruturas mais significativas no Universo, reúnem mais de 100 galáxias ligadas entre si pela força gravitacional mútua. Observações de galáxias próximas mostraram que o crescimento de uma galáxia depende do ambiente em que se encontra, ou seja, populações estelares maduras são comumente encontradas em regiões onde as galáxias estão densamente agrupadas. Isso é conhecido como o “efeito de ambiente”.
No entanto, o momento em que o efeito de ambiente foi iniciado na história do Universo ainda não era bem compreendido. Uma das chaves para entender isso é observar os ancestrais dos aglomerados de galáxias pouco tempo após o nascimento do Universo, conhecidos como protoclusters de galáxias. Esses protoclusters são conjuntos de cerca de dez galáxias distantes. Felizmente, a astronomia nos permite observar o Universo distante como ele era no passado. Por exemplo, a luz de uma galáxia a 13 bilhões de anos-luz de distância leva 13 bilhões de anos para chegar à Terra, então o que observamos agora é como essa galáxia parecia há 13 bilhões de anos. No entanto, a luz que viaja por essa imensa distância enfraquece, tornando necessário o uso de telescópios com alta sensibilidade e resolução espacial.
A equipe de pesquisa começou observando a região central desse protocluster usando o JWST. Usando o instrumento NIRSpec, que observa espectros em comprimentos de onda que vão do visível ao infravermelho próximo, a equipe realizou observações de espectroscopia de campo integral, que permitem adquirir simultaneamente espectros de todas as áreas dentro do campo de visão. A equipe conseguiu detectar luz ionizada de oxigênio ([OIII] 5008 Å) em quatro galáxias em uma região quadrangular de 36.000 anos-luz de lado, o que equivale à metade do raio da Via Láctea. Com base no desvio para o vermelho dessa luz (o alongamento do comprimento de onda devido à expansão cósmica), a distância das quatro galáxias da Terra foi identificada como sendo de 13,14 bilhões de anos-luz. “Fiquei surpreso quando identificamos quatro galáxias detectando a emissão de oxigênio-ion praticamente à mesma distância. As ‘galáxias candidatas’ na região central eram de fato membros do protocluster mais distante”, diz Yuma Sugahara, que liderou a análise dos dados do JWST da Universidade Waseda/NAOJ.
Além disso, a equipe de pesquisa também analisou os dados arquivados do ALMA, que já haviam sido coletados para esta região. Esses dados capturam a emissão de rádio de poeira cósmica nessas galáxias distantes. Como resultado das análises, eles detectaram emissões de poeira em três das quatro galáxias. Esta é a primeira detecção de emissão de poeira em galáxias membros de um protocluster em um período tão remoto. Acredita-se que a poeira cósmica em galáxias seja fornecida pelas explosões de supernovas no final da evolução de estrelas massivas nas galáxias, o que fornece material para novas estrelas. Portanto, grandes quantidades de poeira em uma galáxia indicam que muitas das estrelas de primeira geração na galáxia já completaram suas vidas e que a galáxia está crescendo. O Professor Luis Colina do Centro de Astrobiologia (CAB, CSIC-INTA) descreve a importância dos resultados: “A emissão de poeira cósmica não foi detectada em galáxias membros do protocluster fora da região central. Os resultados indicam que muitas galáxias estão agrupadas em uma pequena região e que o crescimento das galáxias está acelerado, sugerindo que os efeitos ambientais já existiam cerca de 700 milhões de anos após o Big Bang”.
Além disso, a equipe de pesquisa conduziu uma simulação de formação de galáxias para testar teoricamente como as quatro galáxias na região central se formaram e evoluíram. Os resultados mostraram que uma região de partículas de gás densas existia cerca de 680 milhões de anos após o Big Bang, e que quatro galáxias se formaram, semelhantes à região central observada. Para acompanhar a evolução dessas quatro galáxias, a simulação calculou processos físicos como a cinemática das estrelas e do gás, reações químicas, formação de estrelas e supernovas. As simulações mostraram que as quatro galáxias se fundem e evoluem para uma única galáxia maior em questão de dezenas de milhões de anos, um curto período de tempo na evolução do Universo.”Conseguimos reproduzir com sucesso as propriedades das galáxias na região central devido à alta resolução espacial de nossas simulações e ao grande número de amostras de galáxias que temos. No futuro, gostaríamos de explorar mais detalhadamente o mecanismo de formação da região central e suas propriedades dinâmicas”, diz Yurina Nakazato, uma estudante de pós-graduação da Universidade de Tóquio que analisou os dados da simulação.
Javier Álvarez-Márquez do Centro Espanhol de Astrobiologia afirma: “Realizaremos observações mais sensíveis do protocluster A2744z7p9OD com o ALMA para ver se existem galáxias que não eram visíveis com a sensibilidade anterior. Também aplicaremos as observações do JWST e do ALMA, que provaram ser muito poderosas, a mais protoclusters para elucidar o mecanismo de crescimento das galáxias e explorar nossas raízes no Universo”.
Este estudo representa um marco importante na compreensão da formação e evolução das galáxias, especialmente em seus estágios iniciais. As observações detalhadas e as simulações computacionais oferecem uma visão valiosa dos processos que moldaram o Universo em seus primórdios, permitindo-nos traçar nossa própria história cósmica e a evolução das estruturas galácticas ao longo do tempo cósmico. Essa pesquisa, impulsionada pela colaboração internacional e pelo uso de tecnologia avançada, abre novas portas para a exploração dos mistérios do Universo e pode levar a descobertas ainda mais surpreendentes no futuro da astronomia.
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