Os cientistas há muito acreditavam que apenas galáxias em plena formação de estrelas deveriam ser observadas no Universo jovem. O telescópio espacial James Webb revela agora que algumas galáxias pararam de formar estrelas mais cedo do que o previsto.
Três espectros do instrumento JWST/NIRSpec. A galáxia recorde é representada no meio.
© NASA/CSA/ESA, A. Weibel, P. A. Oesch (University of Geneva), RUBIES team: A. de Graaff (MPIA Heidelberg), G. Brammer (Niels Bohr Institute), DAWN JWST Archive
Uma descoberta recente, realizada por uma equipe internacional liderada pela Universidade de Genebra (UNIGE), aumenta a tensão entre os modelos teóricos da evolução cósmica e as observações. Entre centenas de espectros obtidos através do programa Webb RUBIES, a equipe identificou uma galáxia recorde que já havia cessado a formação de estrelas em uma época em que estas normalmente estão em pleno crescimento. Este estudo foi publicado no Astrophysical Journal.
No Universo primitivo, cerca de metade das galáxias observadas pararam de formar estrelas: estão "extintas" e não crescem mais. Os astrônomos as classificam como galáxias "quiescentes", "quenched" ou ainda "vermelhas e mortas". Elas aparecem vermelhas porque não contêm mais estrelas jovens e luminosas de cor azul — apenas restam estrelas mais antigas e menores, com tons avermelhados.
Alguns fatores-chave dos modelos teóricos precisam ser reavaliados.
Uma parte significativa das galáxias quiescentes está entre as galáxias massivas, frequentemente observadas com morfologias elípticas. A formação dessas galáxias vermelhas e mortas normalmente leva muito tempo, pois elas precisam primeiro acumular um grande número de estrelas antes que o processo de formação estelar pare completamente. A causa exata do quenching ainda é um mistério.
"Encontrar os primeiros exemplos de galáxias massivas quiescentes (MQG) no Universo primordial é essencial, pois isso esclarece seus possíveis mecanismos de formação", explica Pascal Oesch, professor associado do Departamento de Astronomia da Faculdade de Ciências da UNIGE e coautor do estudo. A busca por esses sistemas tem sido um objetivo importante dos astrônomos há anos.
Observações que contradizem os modelos
Graças aos avanços tecnológicos, especialmente a espectroscopia no infravermelho próximo, os astrônomos conseguiram identificar gradualmente galáxias quiescentes massivas (MQG) em épocas cósmicas cada vez mais remotas. Sua abundância contradiz os modelos teóricos, que previam um tempo de formação mais longo.
Com o telescópio James Webb (JWST), essa contradição entre teoria e observações se intensificou, com várias MQGs confirmadas em um redshift de 5, ou seja, 1,2 bilhão de anos após o Big Bang — um período relativamente curto na escala do tempo astronômico. Agora, o novo estudo liderado pela UNIGE revela que elas se formaram ainda mais cedo e mais rapidamente.
No Ciclo 2 do JWST, o programa de amplo campo RUBIES (The Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey), um dos maiores programas europeus dedicados à pesquisa extragaláctica com o instrumento NIRSpec, obteve observações espectroscópicas de milhares de galáxias, incluindo centenas de fontes recém-descobertas graças às primeiras imagens do JWST.
O recorde da galáxia "extinta" mais distante
Entre esses novos espectros, os cientistas identificaram a galáxia massiva quiescente (MQG) mais distante já observada, com um redshift espectroscópico de 7,29, ou cerca de 700 milhões de anos após o Big Bang. O espectro obtido com NIRSpec/PRISM revela uma população estelar surpreendentemente envelhecida em um Universo ainda jovem.
Uma modelagem detalhada do espectro e dos dados de imagem mostra que essa galáxia formou uma massa estelar de mais de 10 bilhões (10¹⁰) de massas solares nos primeiros 600 milhões de anos após o Big Bang, antes de parar abruptamente sua formação estelar, confirmando assim seu estado quiescente.
"A descoberta dessa galáxia, nomeada RUBIES-UDS-QG-z7, implica que as galáxias massivas quiescentes no primeiro bilhão de anos do Universo são mais de 100 vezes mais abundantes do que o previsto pelos modelos atuais", explica Andrea Weibel, doutorando do Departamento de Astronomia da Faculdade de Ciências da UNIGE e primeiro autor do estudo. Isso sugere que alguns fatores-chave dos modelos teóricos — como os efeitos dos ventos estelares ou a intensidade dos fluxos de matéria induzidos pela formação estelar e pelos buracos negros massivos — precisam ser reavaliados.
Novas perspectivas sobre o núcleo das galáxias
Por fim, o tamanho de RUBIES-UDS-QG-z7 é de apenas cerca de 650 anos-luz, o que implica uma alta densidade estelar, comparável às densidades centrais mais altas medidas em galáxias quiescentes em redshifts ligeiramente menores. Essas galáxias provavelmente se tornarão os núcleos das galáxias elípticas mais antigas e massivas observadas no Universo local.
"A descoberta de RUBIES-UDS-QG-z7 fornece a primeira evidência sólida de que os centros de algumas galáxias elípticas massivas próximas podem já estar formados desde os primeiros centenas de milhões de anos do Universo", conclui Anna de Graaff, pesquisadora de pós-doutorado no Instituto Max Planck de Astronomia em Heidelberg, iniciadora do programa RUBIES e segunda autora do artigo.
Esta pesquisa foi publicada no Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/adab7a