Estudo explica por que as galáxias mais massivas do universo jovem pararam de formar estrelas precocemente

 Por José Tadeu Arantes - Agência FAPESP | As observações astronômicas mostram que as galáxias mais massivas do Universo jovem, formadas aproximadamente 3 a 4 bilhões de anos após o Big Bang, pararam de produzir estrelas muito cedo na história cósmica: cerca de 1 bilhão de anos depois de começarem. 

Esse comportamento, bastante estranho, vinha intrigando os especialistas da área. Para efeito de comparação, nossa galáxia, a Via Láctea, cuja idade é equivalente à do próprio Universo, continua produzindo estrelas  ainda que com uma taxa baixa de formação  mesmo 13,5 bilhões de anos depois de constituída. 

Um estudo realizado no Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (IAG-USP) com parcerias internacionais, publicado no periódico Astronomy & Astrophysics, propõe uma resposta consistente para o problema.

Enfocamos duas populações aparentemente distintas: galáxias intensamente formadoras de estrelas, ricas em poeira [dusty star-forming galaxies, DSFGs], e galáxias massivas quiescentes, sem atividade de formação estelar [massive quiescent galaxies, MQs], afirma Laerte Sodré Junior, professor titular aposentado, ex-diretor do IAG-USP e orientador de doutorado do autor principal do estudo, Pablo Araya-Araya.

As DSFGs são extremamente ativas, formando estrelas a taxas de até 500 massas solares por ano (comparativamente, a Via Láctea forma cerca de uma massa solar por ano). Envoltas em densas nuvens de poeira, são praticamente invisíveis no óptico (faixa do espectro eletromagnético com comprimentos de onda de 380 a 780 nanômetros). Mas brilham intensamente no submilimétrico (de 0,2 a 1 milímetro) e no infravermelho médio (de 4.9 a 28.8 mícrons).

Por isso, foram detectadas em escala de milhares pelos radiotelescópios Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (Alma), que operam no milimétrico-submilimétrico. Parte delas teve suas estruturas espaciais e composições estelares caracterizadas pelo Telescópio Espacial James Webb, que opera no infravermelho.

As MQs constituem um grande desafio para os modelos de formação de galáxias, explica Sodré. Formaram-se e pararam de produzir estrelas rapidamente, dentro dos primeiros bilhões de anos da história do Universo, diz.

Para investigar a conexão entre as duas populações, os pesquisadores utilizaram um modelo semianalítico de formação de galáxias, rastreando suas trajetórias evolutivas em redshifts de 2 a 4 isto é, quando o universo tinha cerca de 3 a 4 bilhões de anos. Vale lembrar que redshifts são desvios da radiação eletromagnética para comprimentos de onda maiores, em decorrência da expansão do Universo. 

O resultado mostra que entre 86% e 96% das MQs passaram antes por uma fase como galáxias formadoras de estrelas ricas em poeira (DSFGs). Ou seja, praticamente todas essas galáxias inertes tiveram um passado extremamente ativo. Mas nem todas as DSFGs seguem esse destino.

A explicação proposta pelo estudo é a de que cada galáxia progenitora de uma MQ teve fusão precoce e violenta com outra galáxia de massa semelhante. Esse evento catastrófico teria desencadeado dois processos simultâneos: um surto extremo de formação estelar e o rápido crescimento de um buraco negro supermassivo na região central.  A fusão das duas galáxias concentrou grandes quantidades de gás no núcleo, desencadeando simultaneamente o surto extremo de formação estelar e a alimentação intensa do buraco negro supermassivo, resume Sodré.

Nesse processo, o gás frio é rapidamente consumido, enquanto a energia liberada pelo núcleo ativo aquece o gás do halo ao redor e impede que ele esfrie e seja reincorporado à galáxia, bloqueando o suprimento de matéria-prima para novas estrelas e interrompendo a formação estelar em menos de 1 bilhão de anos, explica o cientista.

Em contraste, a maior parte das galáxias formadoras de estrelas e poeira cresce de forma mais gradual, por processos de longa duração, com fusões relevantes ocorrendo apenas em épocas posteriores, o que resulta em um consumo mais lento do gás e em um eventual apagamento da formação estelar tardio, observado em redshifts menores.

Operações recentes do Telescópio Espacial James Webb têm contribuído para o mapeamento das DSFGs. Ao mesmo tempo, revelaram um número maior do que se esperava de galáxias massivas quiescentes no Universo jovem.

O modelo proposto ainda não resolve completamente o problema, pois subsistem discrepâncias entre previsões e observações. Estamos observando muito mais galáxias com emissões submilimétricas do que podíamos prever, admite Sodré.

Mesmo assim, o estudo oferece uma estrutura coerente para explicar a evolução das DSFGs para as MQs, a partir do modelo de fusão de galáxias, surto de formação estelar e constituição de buraco negro supermassivo. O avanço nessa área dependerá de modelos teóricos mais refinados, simulações numéricas mais realistas e novas observações. Instrumentos como o Giant Magellan Telescope (GMT) em construção no Observatório de Las Campanas, no Atacama chileno, sob um dos céus mais secos e estáveis do planeta  deverão desempenhar papel crucial nesse processo.

Com seu espelho coletor de 24,5 metros, o GMT poderá produzir imagens com resoluções três a quatro vezes melhores do que as do James Webb, sublinha Sodré. A expectativa é a de que o equipamento esteja operacional em meados da próxima década. 

O trabalho foi apoiado pela FAPESP por meio de auxílio ao projeto especial Explorando o Universo, da formação de galáxias aos planetas tipo-terra, com o GMT e de bolsa de doutorado para Marcelo Vicentin, que também participou do estudo.

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