As galáxias morrem mais cedo do que o previsto

Durante muito tempo, os cientistas pensaram que, no Universo primitivo, apenas se observariam galáxias com formação estelar ativa.

© NASA (espectros da galáxia RUBIES-UDS-QG-z7)

Três espectros obtidos pelo NIRSpec sobrepostos a uma imagem obtida pelo NIRCam, dois instrumentos a bordo do telescópio espacial James Webb. A galáxia analisada é mostrada no meio. Aparece em vermelho na imagem e o seu espectro diminui para a esquerda (comprimentos de onda curtos). Para comparação, os espectros em cima e em baixo, em azul e violeta, mostram galáxias típicas com formação estelar num momento semelhante da história cósmica.

O telescópio espacial James Webb revela agora que as galáxias deixaram de formar estrelas mais cedo do que se esperava. Uma descoberta recente que aprofunda a tensão entre os modelos teóricos da evolução cósmica e as observações reais. 

Entre centenas de espectros obtidos com o programa RUBIES do Webb, foi encontrada uma galáxia recorde que já tinha parado de formar estrelas durante uma época em que as galáxias estão normalmente crescendo muito rapidamente. Nos primórdios do Universo, uma galáxia típica acreta gás do meio intergaláctico circundante e transforma este gás em estrelas. Este processo aumenta a sua massa, levando a uma captura de gás ainda mais eficiente e a uma formação estelar acelerada. 

No entanto, as galáxias não crescem indefinidamente, devido ao processo de "extinção". No Universo local, cerca de metade das galáxias observadas deixaram de formar estrelas, ou seja, extinguiram-se e deixaram de crescer. São referidas como galáxias quiescentes, extintas ou "vermelhas e mortas". Aparecem vermelhas porque já não contêm estrelas azuis jovens e brilhantes, apenas restam estrelas vermelhas mais velhas e menores. Uma fração particularmente elevada de galáxias quiescentes é encontrada entre as galáxias massivas, que são frequentemente observadas como tendo morfologias elípticas. Normalmente, a formação destas galáxias vermelhas e mortas demora muito tempo, porque têm de acumular um grande número de estrelas antes de o processo de formação estelar ser finalmente interrompido. O que realmente causa a extinção nas galáxias é ainda um grande enigma.

A procura de galáxias quiescentes tem sido um objetivo importante dos astrônomos desde há anos. Com o avanço da tecnologia, em particular a espectroscopia no infravermelho próximo, foi confirmada a existência de galáxias massivas quiescentes (GMQs) em épocas cósmicas cada vez mais precoces. A sua abundância inferida tem sido difícil de conciliar com os modelos teóricos de formação galáctica, que preveem que tais sistemas deveriam demorar mais tempo a formar-se. 

Com o telescópio espacial James Webb, esta tensão foi levada até um desvio para o vermelho de 5 (1,2 bilhões de anos após o Big Bang), onde várias GMQs foram confirmadas nos últimos anos. Entre estes novos espectros, os cientistas identificaram a galáxia massiva quiescente mais distante encontrada até à data, com um desvio para o vermelho espectroscópico de 7,29, apenas ~700 milhões de anos após o Big Bang. 

O espectro do NIRSpec/PRISM revela uma população estelar surpreendentemente antiga num Universo tão jovem. A modelação detalhada do espectro e dos dados de imagem mostram que a galáxia formou uma massa de mais de 10 bilhões de sóis nos primeiros 600 milhões de anos após o Big Bang, antes de cessar rapidamente a formação estelar, confirmando assim a sua natureza quiescente. 

A descoberta desta galáxia, designada RUBIES-UDS-QG-z7, implica que as galáxias massivas quiescentes nos primeiros bilhões de anos do Universo são mais de 100 vezes mais abundantes do que o previsto por qualquer modelo até à data. Isto, por sua vez, sugere que fatores primordiais nos modelos teóricos (por exemplo, os efeitos dos ventos estelares e a força dos fluxos alimentados pela formação de estrelas e buracos negros massivos) podem ter de ser revistos. As galáxias morreram muito mais cedo do que estes modelos podem prever. 

Finalmente, a pequena dimensão física de RUBIES-UDS-QG-z7, medida em apenas ~650 anos-luz, implica uma elevada densidade de massa estelar comparável às maiores densidades centrais observadas em galáxias quiescentes com desvios para o vermelho ligeiramente inferiores (z~2-5). Estas galáxias são susceptíveis de evoluir para os núcleos das galáxias elípticas mais antigas e mais massivas do Universo local.

A descoberta de RUBIES-UDS-QG-z7 fornece a primeira forte evidência de que os centros de algumas galáxias elípticas massivas próximas podem já ter existido desde as primeiras centenas de milhões de anos do Universo.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal.

Fonte: Université de Genève

Hickson 44 na constelação de Leão

Ao escanear os céus em busca de galáxias, o astrônomo canadense Paul Hickson e colegas identificaram cerca de 100 grupos compactos de galáxias, agora apropriadamente chamados de Grupos Compactos Hickson.

© Jiang Wu (Hickson 44)

As quatro galáxias proeminentes vistas nesta intrigante paisagem telescópica são um desses grupos, Hickson 44. O grupo de galáxias está a cerca de 100 milhões de anos-luz de distância, muito além das estrelas pontiagudas da Via Láctea em primeiro plano, em direção à constelação de Leão.

As duas galáxias espirais no centro da imagem são NGC 3190 de perfil com suas faixas de poeira distintas e distorcidas, e NGC 3187 em forma de S. Junto com a brilhante elíptica, NGC 3193 (acima e à esquerda), elas também são conhecidas como Arp 316. A espiral em direção ao canto inferior direito é NGC 3185, o quarto membro do grupo Hickson. 

Como outras galáxias em grupos de Hickson, estas mostram sinais de distorção e formação estelar aprimorada, evidência de um cabo de guerra gravitacional que eventualmente resultará em fusões de galáxias em uma escala de tempo cósmica. O processo de fusão é agora compreendido como uma parte normal da evolução das galáxias, incluindo a nossa própria Via Láctea. 

Para efeito de escala, NGC 3190 tem cerca de 75.000 anos-luz de diâmetro na distância estimada de Hickson 44.

Fonte: NASA

Um buraco negro fornecendo a taxa de formação estelar em galáxia

Esta imagem obtida pelo telescópio espacial Hubble apresenta a pitoresca galáxia espiral NGC 4941, que fica a cerca de 67 milhões de anos-luz da Terra na constelação de Virgem.

© Hubble (NGC 4941)

Como esta galáxia está próxima, cosmicamente falando, os instrumentos aguçados do Hubble são capazes de captar detalhes requintados, como aglomerados de estrelas individuais e nuvens filamentosas de gás e poeira. Os dados usados para construir esta imagem foram coletados como parte de um programa de observação que investiga a formação de estrelas e o ciclo de retorno de estrelas em galáxias próximas.

À medida que as estrelas se formam em aglomerados densos e frios de gás, elas começam a influenciar seus arredores. As estrelas aquecem e agitam as nuvens de gás nas quais nascem por meio de ventos, luz estelar e eventualmente, para estrelas massivas explodindo como supernovas.

Esses processos são chamados coletivamente de feedback estelar e afetam a taxa na qual uma galáxia pode formar novas estrelas. Acontece que as estrelas não são as únicas entidades fornecendo feedback em NGC 4941. No coração desta galáxia está um núcleo galáctico ativo: um buraco negro supermassivo se alimentando de gás. À medida que o buraco negro acumula gás de seus arredores, o gás gira em um disco superaquecido que brilha intensamente em comprimentos de onda em todo o espectro eletromagnético.

Semelhante às estrelas, mas em uma escala muito maior, os núcleos galácticos ativos moldam suas proximidades por meio de ventos, radiação e jatos poderosos, alterando não apenas a formação de estrelas, mas também a evolução da galáxia como um todo.

Fonte: ESA

Galáxia no nevoeiro misteriosamente limpo do Universo primitivo

Utilizando a sensibilidade única ao infravermelho do telescópio espacial James Webb, foi possível examinar galáxias antigas para sondar os segredos do Universo primitivo.

© NASA (localização da galáxia JADES-GS-z13-1)

Agora, astrônomos identificaram emissões brilhantes de hidrogênio de uma galáxia num período inesperadamente precoce da história do Universo. A descoberta surpreendente propõe o desafio: como é que esta luz pode ter atravessado a espessa névoa de hidrogênio neutro que preenchia o espaço nesse momento?

A extraordinária sensibilidade do Webb à luz infravermelha abre também novas vias de investigação sobre quando e como estas galáxias se formaram, e os seus efeitos no Universo na aurora cósmica. O Webb descobriu a galáxia incrivelmente distante JADES-GS-z13-1, observada apenas 330 milhões de anos após o Big Bang, em imagens obtidas pelo instrumento NIRCam (Near-Infrared Camera) do Webb no âmbito do programa JADES.

Os pesquisadores utilizaram o brilho da galáxia em diferentes filtros infravermelhos para estimar o seu desvio para o vermelho, que mede a distância de uma galáxia à Terra com base na forma como a sua luz foi esticada durante a sua viagem através do espaço em expansão. As imagens do NIRCam produziram uma estimativa de um desvio para o vermelho de 13. Isto equivale a uma galáxia vista apenas 330 milhões de anos após o Big Bang, uma pequena fração da idade atual do Universo, que é de 13,8  bilhões de anos.

Mas também se destacou uma característica inesperada: um comprimento de onda de luz específico e nitidamente brilhante, identificado como a emissão Lyman-α irradiada por átomos de hidrogênio, uma emissão muito mais forte nesta fase inicial do desenvolvimento do Universo. O Universo primitivo estava banhado por uma espessa névoa de hidrogênio neutro. A maior parte desta névoa foi levantada num processo chamado reionização, que se completou cerca de um bilhão de anos após o Big Bang.

Antes e durante a época da reionização, o imenso nevoeiro de hidrogênio neutro que rodeava as galáxias bloqueava qualquer luz ultravioleta energética que estas emitissem, tal como o efeito de filtragem de um vidro colorido. Até que um número suficiente de estrelas se formou e foi capaz de ionizar o gás hidrogênio, nenhuma luz, incluindo a emissão de Lyman-α, poderia escapar destas novas galáxias e chegar à Terra. A confirmação da radiação Lyman-α desta galáxia tem, portanto, grandes implicações para a nossa compreensão do Universo primitivo.

A fonte da radiação Lyman-α desta galáxia ainda não é conhecida, mas pode incluir a primeira luz da primeira geração de estrelas se formando no Universo. A grande bolha de hidrogênio ionizado que rodeia esta galáxia pode ter sido criada por uma população peculiar de estrelas, muito mais massivas, mais quentes e mais luminosas do que as estrelas formadas em épocas posteriores, e possivelmente representativa da primeira geração de estrelas. Outra possibilidade seria um poderoso núcleo galáctico ativo, impulsionado por um dos primeiros buracos negros supermassivo.

A equipe planeja continuar as observações da GS-z13-1, com o objetivo de obter mais informações sobre a natureza desta galáxia e sobre a origem da sua forte radiação Lyman-α.

Um artigo foi publicado na revista Nature.

Fonte: University of Cambridge

Um alinhamento casual na constelação Lupus

A imagem obtida pelo telescópio espacial Hubble mostra a impressionante galáxia espiral NGC 5530.

© Hubble (NGC 5530)

A NGC 5530 está situada a 40 milhões de anos-luz de distância na constelação de Lupus (O Lobo). Esta galáxia é classificada como uma espiral "floculenta", o que significa que seus braços espirais são irregulares e indistintos.

Enquanto algumas galáxias têm centros extraordinariamente brilhantes onde hospedam um buraco negro supermassivo, a fonte brilhante perto do centro da NGC 5530 não é um buraco negro ativo, mas sim uma estrela dentro da nossa própria galáxia, a apenas 10 mil anos-luz da Terra. Este alinhamento casual dá a aparência de que a estrela está no coração denso da NGC 5530.

Se você tivesse apontado um telescópio caseiro para a NGC 5530 na noite de 13 de setembro de 2007, teria visto outro ponto brilhante de luz adornando a galáxia. Naquela noite, o astrônomo amador australiano Robert Evans descobriu uma supernova, chamada SN 2007IT, comparando a aparência da NGC 5530 através do telescópio a uma foto de referência da galáxia. Embora seja notável descobrir até mesmo uma supernova usando esse método meticuloso, Evans de fato descobriu mais de 40 supernovas dessa forma!

Essa descoberta em particular foi realmente fortuita: é provável que a luz da supernova tenha completado sua jornada de 40 milhões de anos até a Terra poucos dias antes da explosão ser descoberta.

Fonte: ESA

Descoberto oxigênio na galáxia mais distante conhecida

Duas equipes diferentes de astrônomos detectaram oxigênio na galáxia mais distante conhecida, a JADES-GS-z14-0.

© ESO (ilustração da galáxia JADES-GS-z14-0)

A descoberta, descrita em dois estudos separados, foi possível graças ao Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), do Observatório Europeu do Sul (ESO).

Esta detecção recorde faz com que os astrônomos tenham que repensar sobre quão rápido é que as galáxias se formaram no Universo primordial. Descoberta no ano passado, a JADES-GS-z14-0 é a galáxia mais distante confirmada alguma vez observada: está tão longe da Terra que a sua luz demorou 13,4 bilhões de anos a chegar até nós, o que significa que a vemos tal como era quando o Universo tinha menos de 300 milhões de anos, o que corresponde a cerca de 2% da sua idade atual.

A nova detecção de oxigênio efetuada com o auxílio do ALMA, uma rede de telescópios instalada no deserto chileno do Atacama, sugere que esta galáxia é quimicamente muito mais madura do que se esperava. Os resultados mostram que esta galáxia se formou muito rapidamente, estando também evoluindo muito depressa, o que a coloca num conjunto cada vez maior de provas de que a formação de galáxias no Universo primordial ocorreu muito mais depressa do que esperávamos.

As galáxias começam normalmente as suas vidas repletas de estrelas jovens, as quais são principalmente constituídas por elementos leves como o hidrogênio e o hélio. À medida que as estrelas evoluem, são formados no seu interior elementos mais pesados como o oxigênio, que acabam dispersos pela galáxia quando as estrelas morrem.

Os pesquisadores pensavam que, com 300 milhões de anos, o Universo era ainda demasiado jovem para ter galáxias repletas de elementos pesados. No entanto, os dois estudos realizados com o ALMA indicam que a galáxia JADES-GS-z14-0 tem cerca de 10 vezes mais elementos pesados do que o esperado.

A prova de que uma galáxia está já bastante madura num Universo ainda muito primordial levanta questões sobre quando e como é que as galáxias se formaram. A detecção de oxigênio também permitiu aos astrónomos fazer medições da distância à JADES-GS-z14-0 com muito mais precisão. Esta detecção do ALMA dá-nos uma medição extraordinariamente precisa da distância a que esta galáxia se encontra, com uma incerteza de apenas 0,005 %. Este nível de precisão, que corresponde a uma exatidão de 5 cm numa distância de 1 km, ajuda-nos a compreender melhor as propriedades das galáxias distantes.

Os astrônomos utilizam uma medida conhecida como desvio para o vermelho para determinar a distância a que se encontram objetos extremamente distantes. Medições anteriores indicavam que a galáxia JADES-GS-z-14-0 tinha um desvio para o vermelho entre 14,12 e 14,4. Agora, com estas detecções de oxigênio, ambas as equipes apontam para uma distância correspondente a um desvio para o vermelho de cerca de 14,18.

Este trabalho foi apresentado em dois artigos científicos que foram publicados no periódico The Astrophysical Journal.

Fonte: ESO

Vários buracos negros descobertos em galáxias anãs

Usando os primeiros dados do DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), uma equipe de cientistas compilou a maior amostra de sempre de galáxias anãs que abrigam um buraco negro que se alimenta ativamente, bem como a mais extensa coleção de candidatos a buraco negro de massa intermediária até agora.

© NAOJ (mosaico com candidatas a galáxia anã)

Este mosaico mostra uma série de imagens de candidatas a galáxia anã que hospedam um núcleo galáctico ativo, captadas com a Hyper Suprime-Cam do Telescópio Subaru.

Esta dupla proeza não só expande a compreensão sobre a população de buracos negros no Universo, como também prepara o terreno para novas explorações sobre a formação dos primeiros buracos negros do Universo e o seu papel na evolução das galáxias. 

O DESI é um instrumento de última geração que pode captar a luz de 5.000 galáxias simultaneamente. Ele está montado no telescópio Nicholas U. Mayall de 4 metros no Observatório Nacional de Kitt Peak, um programa do NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory). O programa está agora no seu quarto de cinco anos de observação do céu e deverá estudar cerca de 40 milhões de galáxias e quasares até ao final do projeto. O projeto DESI é uma colaboração internacional de mais de 900 investigadores de mais de 70 instituições de todo o mundo e é gerido pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA. 

Com os primeiros dados do DESI, que incluem a validação do levantamento e 20% do primeiro ano de operações, foram obtidos um conjunto de dados sem precedentes que inclui os espectros de 410.000 galáxias, incluindo cerca de 115.000 galáxias anãs, que são galáxias pequenas e difusas contendo milhares a vários bilhões de estrelas e muito pouco gás. 

Embora os astrofísicos estejam razoavelmente confiantes de que todas as galáxias massivas, como a Via Láctea, abrigam buracos negros nos seus centros, o quadro torna-se pouco claro à medida que nos aproximamos do extremo inferior do espectro de massa. Encontrar buracos negros é já um desafio, mas identificá-los em galáxias anãs é ainda mais difícil, devido às suas pequenas dimensões e à capacidade limitada dos nossos instrumentos atuais para resolver as regiões próximas destes objetos. Um buraco negro que se alimenta ativamente é, no entanto, mais fácil de detectar. Quando um buraco negro no centro de uma galáxia começa a alimentar-se, libera uma quantidade tremenda de energia para a sua vizinhança, transformando-se num núcleo galáctico ativo (NGA).

Nesta pesquisa foram identificados um número surpreendente de 2.500 candidatas a galáxia anã que abrigam um NGA, a maior amostra alguma vez descoberta. A fração significativamente mais elevada de galáxias anãs que abrigam um NGA (2%) em relação a estudos anteriores (cerca de 0,5%) é um resultado empolgante e sugere que existe ainda número substancial de buracos negros de baixa massa ainda não descobertos.

© NAOJ (mosaico com candidatos a buraco negro de massa intermediária)

Este mosaico mostra uma série de imagens de candidatos a buraco negro de massa intermediária, organizados por ordem crescente de massa estelar, captadas com a Hyper Suprime-Cam do Telescópio Subaru.

Numa pesquisa separada dos dados DESI, a equipa identificou 300 candidatos a buraco negro de massa intermediária, a coleção mais extensa até à data. A maioria dos buracos negros ou são leves (menos de 100 vezes a massa do nosso Sol) ou supermassivos (mais de um milhão de vezes a massa do nosso Sol). Os buracos negros que se situam entre estes dois extremos são pouco conhecidos, mas pensa-se que sejam as relíquias dos primeiros buracos negros formados no Universo primitivo e as sementes dos buracos negros supermassivos que se encontram atualmente no centro das grandes galáxias.

No entanto, continuam sendo elusivos, com apenas cerca de 100 a 150 candidatos a buraco negro de massa intermediária conhecidos até agora. Com a grande população descoberta pelo DESI, os cientistas dispõem agora de um novo e poderoso conjunto de dados para estudar estes enigmas cósmicos. 

Tipicamente, espera-se que os buracos negros encontrados em galáxias anãs estejam no regime de massa intermediária. Mas, curiosamente, apenas 70 dos candidatos a buraco negro de massa intermediária recentemente descobertos se sobrepõem a candidatos a NGA. Este fato acrescenta outra camada de entusiasmo às descobertas e levanta questões sobre a formação e evolução dos buracos negros nas galáxias. Por exemplo, será que existe alguma relação entre os mecanismos de formação dos buracos negros e os tipos de galáxias que eles habitam?

Um artigo será publicado no periódico The Astrophysical Journal. 

Fonte: National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory