Webb vê grãos de poeira ricos em carbono nos primeiros bilhões de anos do tempo cósmico

Pela primeira vez, o Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA observou a assinatura química de grãos de poeira ricos em carbono no desvio para o vermelho ~ 7, o que é aproximadamente equivalente a um bilhão de anos após o nascimento do Universo.

Assinaturas observacionais semelhantes foram observadas no Universo muito mais recente, atribuídas a moléculas complexas baseadas em carbono conhecidas como hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HPAs). 

Esta imagem destaca a localização da galáxia JADES-GS-z6 em uma porção de uma área do céu conhecida como GOODS-South, que foi observada como parte do JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, ou JADES. Crédito: ESA/Webb, NASA, ESA, CSA, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (Centro de Astrofísica, Harvard & Smithsonian), S. Tacchella (Universidade de Cambridge, M. Rieke (Univ. do Arizona), D. Eisenstein (Centro de Astrofísica, Harvard & Smithsonian), A. Pagan (STScI 

Não se pensa provável, no entanto, que os HPAs tenham se desenvolvido dentro do primeiro bilhão de anos do tempo cósmico. Portanto, essa observação sugere a possibilidade excitante de que Webb possa ter observado uma espécie diferente de molécula baseada em carbono: possivelmente minúsculos grãos semelhantes a grafite ou diamante produzidos pelas primeiras estrelas ou supernovas. 

Essa observação sugere caminhos empolgantes de investigação sobre a produção de poeira cósmica e as primeiras populações estelares em nosso Universo, e foi possível graças à sensibilidade sem precedentes do Webb.

Os espaços aparentemente vazios em nosso Universo muitas vezes não são vazios, mas ocupados por nuvens de gás e poeira cósmica. Essa poeira consiste em grãos de vários tamanhos e composições que são formados e ejetados para o espaço de várias maneiras, inclusive por eventos de supernova. Esse material é crucial para a evolução do Universo, já que nuvens de poeira acabam formando os locais de nascimento de novas estrelas e planetas.

No entanto, também pode ser um obstáculo para os astrônomos: a poeira absorve a luz estelar em certos comprimentos de onda, tornando algumas regiões do espaço muito difíceis de observar. Uma vantagem, no entanto, é que certas moléculas absorvem de forma muito consistente ou interagem com comprimentos de onda específicos de luz. Isso significa que os astrônomos podem adquirir informações sobre a composição da poeira cósmica observando os comprimentos de onda da luz que ela bloqueia.

Uma equipe internacional de astrônomos usou essa técnica, combinada com a extraordinária sensibilidade do Webb, para detectar a presença de grãos de poeira ricos em carbono apenas um bilhão de anos após o nascimento do Universo.

Joris Witstok, da Universidade de Cambridge, principal autor deste trabalho, elabora: "Os grãos de poeira ricos em carbono podem ser particularmente eficientes na absorção de luz ultravioleta com um comprimento de onda em torno de 217,5 nanômetros, que pela primeira vez observamos diretamente nos espectros de galáxias muito antigas".

Essa característica proeminente de 217,5 nanômetros já foi observada no Universo muito mais recente e local, tanto dentro de nossa própria galáxia da Via Láctea, quanto em galáxias até o desvio para o vermelho ~ 3. Tem sido atribuído a dois tipos diferentes de espécies à base de carbono: hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HPAs) ou grãos grafíticos nanométricos. 

Os HPAs são moléculas complexas, e os modelos modernos preveem que deve levar várias centenas de milhões de anos até que se formem. Seria surpreendente, portanto, se a equipe tivesse observado a assinatura química de uma mistura de grãos de poeira que incluem espécies que provavelmente não se formaram ainda. No entanto, de acordo com a equipe científica, esse resultado é a assinatura direta mais antiga e distante para esse tipo específico de grão de poeira rico em carbono.

A resposta pode estar nos detalhes do que foi observado. Como já dito, a característica associada à mistura de poeira cósmica de HPAs e minúsculos grãos grafíticos está em 217,5 nanômetros. No entanto, a característica observada pela equipe chegou a 226,3 nanômetros.

Um nanômetro é um milionésimo de milímetro, e essa discrepância de menos de dez nanômetros poderia ser explicada pelo erro de medição. Da mesma forma, também pode indicar uma diferença na composição da mistura de poeira cósmica do início do Universo que a equipe detectou.

"Essa pequena mudança no comprimento de onda de onde a absorção é mais forte sugere que podemos estar vendo uma mistura diferente de grãos, por exemplo, grãos semelhantes a grafite ou diamante", acrescenta Witstok. "Isso também poderia ser produzido em escalas de tempo curtas por estrelas Wolf-Rayet ou ejeta de supernovas."

A detecção dessa característica no início do Universo é surpreendente e permite aos astrônomos postular sobre os mecanismos que poderiam criar essa mistura de grãos de poeira. Trata-se de recorrer ao conhecimento existente a partir de observações e modelos. Witstok sugere grãos de diamante formados em ejeta de supernova porque modelos sugeriram anteriormente que nanodiamantes poderiam ser formados dessa maneira.

As estrelas Wolf-Rayet são sugeridas porque são excepcionalmente quentes no final de suas vidas, e estrelas muito quentes tendem a viver rápido e morrer jovens; dando tempo suficiente para que gerações de estrelas tenham nascido, vivido e morrido, para distribuir grãos ricos em carbono na poeira cósmica circundante em menos de um bilhão de anos. Modelos também mostraram que grãos ricos em carbono podem ser produzidos por certos tipos de estrelas Wolf-Rayet, e tão importante quanto isso é que esses grãos podem sobreviver às mortes violentas dessas estrelas.

No entanto, ainda é um desafio explicar completamente esses resultados com a compreensão existente da formação inicial da poeira cósmica. Esses resultados irão, portanto, informar o desenvolvimento de modelos aprimorados e observações futuras.

Antes do Webb, as observações de várias galáxias tinham que ser combinadas para obter sinais fortes o suficiente para fazer deduções sobre as populações estelares nas galáxias e aprender sobre como sua luz era afetada pela absorção de poeira. É importante ressaltar que os astrônomos estavam restritos a estudar galáxias relativamente velhas e maduras que tiveram muito tempo para formar estrelas, bem como poeira.

Isso limitou sua capacidade de realmente identificar as principais fontes de poeira cósmica. Com o advento do Webb, os astrônomos agora são capazes de fazer observações muito detalhadas da luz de galáxias anãs individuais, vistas nos primeiros bilhões de anos do tempo cósmico. Webb finalmente permite o estudo da origem da poeira cósmica e seu papel nos primeiros estágios cruciais da evolução das galáxias.

"Esta descoberta foi possível graças à melhoria de sensibilidade incomparável na espectroscopia de infravermelho próximo fornecida pelo Webb e, especificamente, seu espectrógrafo de infravermelho próximo (NIRSpec)", observou o membro da equipe Roberto Maiolino, da Universidade de Cambridge e da University College London.

"O aumento da sensibilidade proporcionado pelo Webb é equivalente, na visibilidade, à atualização instantânea do telescópio de 37 milímetros do Galileu para o Very Large Telescope de 8 metros (um dos mais poderosos telescópios ópticos modernos)." 

O NIRSpec foi construído para a Agência Espacial Europeia por um consórcio de empresas europeias liderado pela Airbus Defence and Space (ADS) com o Goddard Space Flight Centre da NASA fornecendo seus subsistemas de detectores e microobturadores. O principal objetivo do NIRSpec é permitir grandes levantamentos espectroscópicos de objetos astronômicos, como estrelas ou galáxias distantes. Isso é possível graças ao seu poderoso modo de espectroscopia multi-objeto, que faz uso de microobturadores.

Esse modo é capaz de obter espectros de até quase 200 objetos simultaneamente, em um campo de visão de 3,6 × 3,4 minutos de arco — a primeira vez que essa capacidade foi fornecida do espaço. Este modo torna muito eficiente o valioso tempo de observação do Webb.

A equipe também está planejando novas pesquisas sobre os dados e esse resultado. "Estamos planejando trabalhar ainda mais com teóricos que modelam a produção e o crescimento de poeira em galáxias", compartilha a membro da equipe Irene Shivaei, da Universidade do Arizona/Centro de Astrobiología (CAB). "Isso lançará luz sobre a origem da poeira e dos elementos pesados no Universo primitivo."

Essas observações foram feitas como parte do JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, ou JADES, que dedicou cerca de 32 dias de tempo de telescópio para descobrir e caracterizar galáxias fracas e distantes. Este programa facilitou a descoberta de centenas de galáxias que existiam quando o Universo tinha menos de 600 milhões de anos, incluindo algumas das galáxias mais distantes conhecidas até hoje.

O grande número e maturidade dessas galáxias estava muito além das previsões de observações feitas antes do lançamento do Webb. Este novo resultado dos grãos de poeira do início do Universo contribui para a nossa crescente e evolutiva compreensão da evolução das populações estelares e galáxias durante o primeiro bilhão de anos do tempo cósmico.

"Esta descoberta implica que as galáxias infantis no início do Universo se desenvolvem muito mais rápido do que imaginávamos", acrescenta o membro da equipe Renske Smit, da Universidade John Moores de Liverpool, no Reino Unido. "Webb nos mostra uma complexidade dos primeiros locais de nascimento de estrelas (e planetas) que os modelos ainda precisam explicar."

Fonte: esawebb.org