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. O Telescópio Espacial James Webb revela agora que as galáxias deixaram de formar estrelas mais cedo do que se esperava.

Três espetros obtidos pelo NIRSpec sobrepostos a uma imagem obtida pelo NIRCam, dois instrumentos a bordo do Telescópio Espacial James Webb. A galáxia recorde é mostrada no meio. Aparece a vermelho na imagem e o seu espetro diminui para a esquerda (comprimentos de onda curtos). Para comparação, os espetros em cima e em baixo, em azul e violeta, mostram galáxias típicas com formação estelar numa altura semelhante da história cósmica. Crédio: NASA/CSA/ESA, A. Weibel, P. A. Oesch (Universidade de Genebra), equipa RUBIES - A. de Graaff (Instituto Max Planck de Astronomia em Heidelberg), G. Brammer (Instituto Niels Bohr), Arquivo DAWN do JWST

Uma descoberta recente de uma equipe internacional, liderada por astrónomos da Universidade de Genebra (UNIGE), aprofunda a tensão entre os modelos teóricos da evolução cósmica e as observações reais. Entre centenas de espetros obtidos com o programa RUBIES do Webb, a equipe encontrou uma galáxia recorde que já tinha parado de formar estrelas durante uma época em que as galáxias estão normalmente a crescer muito rapidamente. Este estudo foi publicado na revista The Astrophysical Journal. 

Nos primórdios do Universo, uma galáxia típica acreta gás do meio intergaláctico circundante e transforma esse gás em estrelas. Este processo aumenta a sua massa, levando a uma acreção de gás ainda mais eficiente e a uma formação estelar acelerada. No entanto, as galáxias não crescem indefinidamente, devido a um processo que os astrónomos designam por "extinção".

No Universo local, cerca de metade das galáxias observadas deixaram de formar estrelas - extinguiram-se e deixaram de crescer. Os astrónomos referem-se a elas 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 mais pequenas.

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.

"Encontrar os primeiros exemplos de galáxias massivas quiescentes (GMQs) no Universo primitivo é fundamental, uma vez que lança luz sobre os seus possíveis mecanismos de formação", afirma Pascal Oesch, professor associado do Departamento de Astronomia da Faculdade de Ciências da UNIGE e coautor do artigo científico. A procura de tais sistemas tem sido um objetivo importante dos astrónomos desde há anos.

Observações em desacordo com as expetativas teóricas

Com o avanço da tecnologia, em particular a espetroscopia no infravermelho próximo, os astrónomos confirmaram 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 mil milhões de anos após o Big Bang), onde várias GMQs foram confirmadas nos últimos anos. O novo estudo liderado pela UNIGE revela que estas galáxias se formaram ainda mais cedo e mais rapidamente do que se pensava.

No Ciclo 2 do JWST, o levantamento RUBIES (Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey), um dos maiores programas europeus de investigação extragalática que utiliza o instrumento NIRSpec, obteve observações espetroscópicas de vários milhares de galáxias, incluindo centenas de fontes recém-descobertas a partir de dados iniciais do JWST.

Uma galáxia "morta" recordista

Entre estes novos espetros, os cientistas identificaram a galáxia massiva quiescente mais distante encontrada até à data, com um desvio para o vermelho espetroscópico de 7,29, apenas ~700 milhões de anos após o Big Bang. O espetro do NIRSpec/PRISM revela uma população estelar surpreendentemente antiga num Universo tão jovem. A modelação detalhada do espetro e dos dados de imagem mostram que a galáxia formou uma massa de mais de 10 mil milhões (10^10) 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 mil milhões de anos do Universo são mais de 100 vezes mais abundantes do que o previsto por qualquer modelo até à data", afirma Andrea Weibel, doutoranda do Departamento de Astronomia da Faculdade de Ciências da UNIGE e primeira autora do artigo científico. Isto, por sua vez, sugere que fatores-chave 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.

Perspetivas sobre os núcleos das galáxias gigantes

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 a desvios para o vermelho ligeiramente inferiores (z~2-5). Estas galáxias são suscetíveis 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", conclui Anna de Graaff, investigadora principal do programa RUBIES, investigadora de pós-doutoramento no Instituto Max Planck de Astronomia em Heidelberg e segunda autora do artigo científico.

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