Astrônomos observam a formação desses esferoides

Apoiando-se em avanços técnicos e observacionais, uma equipe internacional liderada por pesquisadores do Departamento de Astrofísica do IRFU (CEA Paris-Saclay) elucidou o mistério da formação dos esferoides, encontrados nos bojos das galáxias espirais e nas galáxias elípticas gigantes. 

Figura 1 - Exemplos de imagens capturadas com o JWST, provenientes da amostra de galáxias analisada neste estudo. As imagens coloridas foram reconstruídas combinando três filtros: F444W (vermelho), F227W (verde) e F150W (azul). A região delimitada por linhas pontilhadas ciano corresponde ao melhor ajuste dos perfis de brilho superficial da emissão submilimétrica. A barra branca na parte inferior das vinhetas indica a escala, enquanto o nome da fonte e o desvio para o vermelho (z) das galáxias são mencionados na parte superior de cada vinheta. Crédito: Tan et al. 2024

Essas estruturas, por muito tempo consideradas principalmente como o produto de fusões galácticas tardias na história cósmica, poderiam se formar também diretamente no Universo distante. Sua forma esférica resultaria de uma intensa formação de estrelas induzida por um processo dinâmico que combina a acreção de gás frio e interações galácticas.

Essas descobertas representam um avanço significativo em nossa compreensão da evolução das galáxias, impactando os modelos atuais que também se beneficiarão de observações de alta resolução graças aos telescópios de última geração (JWST, Euclid, etc.).

Esta pesquisa foi apresentada em um artigo intitulado "In situ spheroid formation in distant submillimetre-bright Galaxies", publicado na revista Nature.

Limitações técnicas e observacionais finalmente superadas

As galáxias do Universo se dividem em duas grandes categorias morfológicas. De um lado, as galáxias espirais, em forma de discos, como nossa Via Láctea. Elas são jovens, ricas em gás e continuam a formar estrelas. Do outro, as galáxias esferoidais, que incluem as galáxias elípticas e os bojos das galáxias espirais. Elas são desprovidas de gás, compostas de estrelas muito antigas e quase não formam mais estrelas; são como "mortas".

Se a formação das galáxias espirais é talvez melhor compreendida, a das galáxias esferoidais permanecia um mistério até agora, apesar da existência de várias teorias, que permaneciam limitadas por nossos meios observacionais e técnicos anteriores.

Para entender a formação desses esferoides, é preciso voltar ao nascimento das estrelas que os compõem, até a era do "Meio-dia cósmico", quando o Universo tinha entre 1,6 e 4,3 bilhões de anos. Naquela época, muitas galáxias formavam ativamente estrelas e eram ricas em poeira e gás, tornando-as opacas no espectro visível, mas extremamente brilhantes nos comprimentos de onda milimétricos e submilimétricos.

A chegada do Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), capaz de observar nesse domínio do espectro, abriu a possibilidade de estudar os bojos galácticos. Essas observações são complementadas pela visão infravermelha do poderoso Telescópio Espacial James Webb (JWST), que oferece uma visão global das galáxias (cf. Figura 1).

Figura 2 - Esquema ilustrando o processo de formação dos esferoides nas galáxias distantes brilhantes em submilimétrico e sua ligação com a evolução das galáxias elípticas gigantes no Universo atual. À extrema esquerda, as imagens infravermelhas capturadas pelo JWST (ver legenda Fig. 1) são seguidas por um zoom em suas regiões centrais em submilimétrico, obtido graças ao ALMA. O esquema também propõe uma classificação das formas intrínsecas das galáxias. Os parâmetros médios das morfologias são representados para: todo o conjunto da amostra estudada (elipse verde), uma subamostra de galáxias compactas em submilimétrico (elipse laranja) e uma subamostra de galáxias estendidas em submilimétrico (elipse azul). Esses parâmetros são comparados aos das galáxias locais de tipo precoce (elipse vermelha) e de tipo tardio (representadas por formas espirais violeta e ciano). Crédito: Tan et al. 2024.

Esta pesquisa também foi possibilitada por um avanço técnico importante. Em uma publicação anterior (Tan et al. 2024, A&A), os pesquisadores desenvolveram um novo método para ajustar perfis de luminosidade superficial a observações interferométricas, como as produzidas pelo ALMA. Antes dessa inovação, a extração de informações a partir desses dados era complexa, e os métodos existentes introduziam muitos vieses, dificultando uma análise aprofundada dos sistemas esferoidais.

Novas perspectivas sobre a formação das galáxias elípticas gigantes no Universo primitivo

Este estudo se baseia em observações ALMA coletadas ao longo dos anos por diversos projetos. Graças aos projetos arquivísticos A3COSMOS e A3GOODS, os pesquisadores puderam constituir uma amostra de mais de cem galáxias com intensa formação estelar, muito brilhantes no domínio submilimétrico, com uma alta relação sinal/ruído (S/R > 50). Essas galáxias vêm do Universo primitivo, então com apenas 1,6 a 4,3 bilhões de anos (redshift entre z = 1,5 e 4). Tal riqueza de dados teria sido impossível de obter no âmbito de uma solicitação clássica de tempo de observação, destacando a importância da exploração de arquivos para estudos dessa magnitude.

A primeira descoberta diz respeito à morfologia das componentes submilimétricas nos centros dessas galáxias, que correspondem aos locais de formação de estrelas. O estudo indica que a maioria dos centros dessas galáxias é intrinsecamente esférica, e não em forma de disco como se pensava. De fato, os pesquisadores constataram que a emissão submilimétrica dessas galáxias é muito compacta, com perfis de brilho superficial que se desviam significativamente daqueles típicos de discos. Essa conclusão é reforçada por modelagens detalhadas de sua geometria 3D, que mostram que a relação entre os eixos mais curtos e mais longos é, em média, metade, aumentando com a compacidade espacial (cf. Figura 2).

A segunda revelação deste estudo diz respeito ao mecanismo de formação das galáxias esferoidais. Por muito tempo, pensou-se que os esferoides se formavam tardiamente na história do Universo, principalmente por coalescência, ou seja, pela fusão de duas galáxias após colisão. No entanto, este estudo traz uma nova perspectiva: observou-se esferoides se formando diretamente a partir de explosões de estrelas, provavelmente devido à ação simultânea da acreção de gás frio e das interações entre galáxias, sem necessidade de fusão. Esses processos levam a uma intensa formação de estrelas concentrada nos núcleos tridimensionais dessas galáxias, e isso desde as primeiras épocas da história cósmica.

Um possível acesso aos locais de nascimento das grandes galáxias elípticas

Este estudo forneceu as primeiras evidências observacionais sólidas de que os esferoides podem se formar diretamente graças a uma intensa formação de estrelas, alimentada pela acreção de gás frio e interações galácticas simultâneas nos núcleos das galáxias. Esse processo, aparentemente muito difundido no Universo distante, constitui um marco em nossa compreensão da formação e evolução dos bojos das galáxias espirais, e pode ser também das galáxias elípticas gigantes, como M87 na constelação de Virgem, cujos locais de nascimento eram procurados há décadas.

Figura 3 - O JWST recentemente permitiu revelar a verdadeira natureza da galáxia vizinha M104, conhecida como galáxia do Sombrero. Graças à sua visão infravermelha, o telescópio pôde observar através da poeira e do gás, que davam a ilusão de braços espirais. Os novos dados confirmam que o Sombrero é, na verdade, uma galáxia elíptica cercada por um anel, com uma formação estelar muito fraca (menos de uma massa solar por ano). Crédito: © (NASA, ESA, CSA, STScI)

Novas observações ALMA, beneficiando-se de uma resolução e sensibilidade aumentadas, combinadas com dados de arquivo, permitirão explorar em detalhes a distribuição e cinemática do gás frio — a matéria-prima da formação estelar — dentro dessas galáxias por meio de estudos estatísticos. Além disso, as capacidades dos telescópios JWST, Euclid e do telescópio espacial da Estação Espacial Chinesa (CSST) para mapear as componentes estelares das galáxias complementarão essa abordagem, oferecendo uma visão mais completa de sua evolução (cf. Figura 3). Juntos, esses instrumentos prometem revolucionar nossa compreensão da formação das galáxias no Universo primitivo.

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