Explosões de formação estelar explicam brilho misterioso na madrugada cósmica

Quando os cientistas viram as imagens das primeiras galáxias do Universo, pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST), ficaram chocados. As jovens galáxias pareciam demasiado brilhantes, demasiado massivas e demasiado maduras para se terem formado tão pouco tempo depois do Big Bang. Seria como se um bebé se tornasse um adulto em apenas alguns anos. 

Impressão artística das primeiras galáxias com formação estelar explosiva. As estrelas e as galáxias estão representadas nos pontos de luz brancos e brilhantes, enquanto a matéria escura e o gás, mais difusos, estão representados a roxo e vermelho. Crédito: Aaron M. Geller, Northwestern, CIERA + IT-RCDS

A descoberta surpreendente levou mesmo alguns físicos a questionar o modelo padrão da cosmologia, perguntando-se se este deveria ou não ser alterado.  

Usando novas simulações, uma equipa de astrofísicos liderada pela Universidade Northwestern descobriu agora que estas galáxias provavelmente não são assim tão massivas. Embora o brilho de uma galáxia seja tipicamente determinado pela sua massa, as novas descobertas sugerem que as galáxias menos massivas podem brilhar com a mesma intensidade devido a surtos irregulares e brilhantes de formação estelar. 

Esta descoberta não só explica porque é que as galáxias jovens parecem enganadoramente massivas, como também se enquadra no modelo padrão da cosmologia. 

A investigação foi publicada na revista The Astrophysical Journal Letters. 

"A descoberta destas galáxias foi uma grande surpresa porque eram substancialmente mais brilhantes do que o previsto", disse Claude-André Faucher-Giguère, da Northwestern, autor sénior do estudo. "Normalmente, uma galáxia é brilhante porque é grande. Mas como estas galáxias se formaram no alvorecer cósmico, ainda não havia passado tempo suficiente desde o Big Bang. Como é que estas galáxias massivas se puderam formar tão rapidamente? As nossas simulações mostram que as galáxias não têm qualquer problema em formar-se com este brilho no alvorecer cósmico". 

"A chave é reproduzir uma quantidade suficiente de luz num sistema num curto espaço de tempo", acrescentou Guochao Sun, que liderou o estudo. "Isso pode acontecer porque o sistema é realmente massivo ou porque tem a capacidade de produzir muita luz rapidamente. Neste último caso, o sistema não precisa de ser muito massivo. Se a formação estelar ocorrer em rajadas, emitirá flashes de luz. É por isso que vemos várias galáxias muito brilhantes". 

Faucher-Giguère é professor associado de física e astronomia no Colégio Weinberg de Artes e Ciências da Northwestern e membro do CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics). Sun é bolseiro de pós-doutoramento do CIERA na Northwestern. 

Um período que durou cerca de 100 milhões de anos a mil milhões de anos após o Big Bang, o alvorecer cósmico é marcado pela formação das primeiras estrelas e galáxias do Universo. Antes do lançamento do JWST para o espaço, os astrónomos sabiam muito pouco sobre este antigo período de tempo. 

"O JWST trouxe-nos muitos conhecimentos sobre o alvorecer cósmico", disse Sun. "Antes do JWST, a maior parte do nosso conhecimento sobre o Universo inicial era especulação baseada em dados de muito poucas fontes. Com o enorme aumento do poder de observação, podemos ver detalhes físicos das galáxias e usar essas sólidas evidências observacionais para estudar a física e para compreender o que está a acontecer." 

No novo estudo, Sun, Faucher-Giguère e a sua equipa utilizaram simulações avançadas de computador para modelar a forma como as galáxias se formaram logo após o Big Bang. As simulações produziram galáxias do alvorecer cósmico que eram tão brilhantes como as observadas pelo JWST. As simulações fazem parte do projeto FIRE (Feedback of Relativistic Environments), que Faucher-Giguère cofundou com colaboradores do Instituto de Tecnologia da Califórnia, da Universidade de Princeton e da Universidade da Califórnia em San Diego. O novo estudo inclui colaboradores do Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e da Universidade da Califórnia, Davis. 

As simulações FIRE combinam teoria astrofísica e algoritmos avançados para modelar a formação de galáxias. Os modelos permitem aos investigadores investigar o modo como as galáxias se formam, crescem e mudam de forma, tendo em conta a energia, a massa, o momento e os elementos químicos das estrelas. 

Quando Sun, Faucher-Giguère e a sua equipa executaram as simulações para modelar as primeiras galáxias formadas no alvorecer cósmico, descobriram que as estrelas se formavam em surtos - um conceito conhecido como "formação estelar explosiva". Em galáxias massivas como a Via Láctea, as estrelas formam-se a um ritmo constante, com o número de estrelas a aumentar gradualmente ao longo do tempo. 

Mas a chamada formação estelar explosiva ocorre quando as estrelas se formam num padrão alternado - muitas estrelas de uma vez, seguidas de milhões de anos de muito poucas estrelas novas e depois muitas estrelas novamente. 

"A formação estelar explosiva é especialmente comum em galáxias de baixa massa", disse Faucher-Giguère. "Os pormenores que explicam porque é que isto acontece são ainda objeto de investigação. Mas o que pensamos que acontece é que se forma um surto de estrelas e, alguns milhões de anos mais tarde, essas estrelas explodem como supernovas. O gás é expulso e volta a cair para formar novas estrelas, impulsionando o ciclo de formação de estrelas. 

Mas quando as galáxias se tornam suficientemente massivas, têm uma gravidade muito mais forte. Quando as supernovas explodem, não são suficientemente fortes para ejetar o gás do sistema. A gravidade mantém a galáxia unida e leva-a para um estado estável". 

As simulações também foram capazes de produzir a mesma abundância de galáxias brilhantes que o JWST revelou. Por outras palavras, o número de galáxias brilhantes previsto pelas simulações corresponde ao número de galáxias brilhantes observadas. 

Embora outros astrofísicos tenham levantado a hipótese de a formação estelar explosiva poder ser responsável pelo brilho invulgar das galáxias no alvorecer cósmico, os investigadores da Northwestern são os primeiros a usar simulações computacionais detalhadas para provar que isso é possível. E conseguiram fazê-lo sem acrescentar novos factores que não estão alinhados com o nosso modelo padrão do Universo. 

"A maior parte da luz de uma galáxia provém das estrelas mais massivas", disse Faucher-Giguère. "Como as estrelas mais massivas ardem a uma velocidade superior, têm uma vida mais curta. Consomem rapidamente o seu combustível em reações nucleares. Assim, o brilho de uma galáxia está mais diretamente relacionado com o número de estrelas que se formaram nos últimos milhões de anos do que com a massa da galáxia como um todo."

Fonte: news.northwestern.edu