Telescópio Webb investiga as origens estruturais das galáxias de disco

Galáxias de disco, como a nossa Via Láctea, geralmente consistem em um disco espesso e fino de estrelas — cada uma com características diferentes, incluindo população estelar e movimento. Três cenários teóricos principais foram propostos para explicar os mecanismos de formação e o tempo de formação de discos espessos e finos. 

 As galáxias de disco atuais frequentemente contêm um disco externo espesso e repleto de estrelas e um disco fino de estrelas incrustado. Três cenários teóricos principais foram propostos por astrônomos para explicar como essa estrutura de disco duplo surge. Usando dados de arquivo do Telescópio Espacial James Webb, uma equipe de astrônomos está mais perto de compreender as origens das galáxias de disco e o processo de formação de discos estelares espessos e finos. A equipe identificou cuidadosamente, verificou visualmente e analisou uma amostra estatística de mais de 100 galáxias de disco de borda em vários períodos — até 11 bilhões de anos atrás (ou aproximadamente 2,8 bilhões de anos após o Big Bang). Os resultados de sua análise sugerem que as galáxias formam primeiro um disco espesso, seguido por um disco fino. O momento desse processo depende da massa da galáxia: galáxias de disco único e alta massa transitaram para estruturas de dois discos há cerca de 8 bilhões de anos, enquanto galáxias de disco único e baixa massa formaram seus discos finos há cerca de 4 bilhões de anos. Crédito: NASA, ESA, CSA, STScI, Takafumi Tsukui (ANU)

Uma equipe de astrônomos investigou recentemente a estrutura de galáxias de disco , analisando diversos levantamentos do Telescópio Espacial James Webb da NASA. Essa extensa amostra inclui mais de 100 galáxias de disco de borda, com formação até aproximadamente 11 bilhões de anos atrás. Publicada na Monthly Notices of the Royal Astronomical Society , a análise da equipe se alinha a um dos três cenários, sugerindo que a formação de discos estelares espessos ocorre primeiro, seguida pela formação de discos estelares finos. Quando isso acontece na formação de uma galáxia, a história depende da massa da galáxia.

As galáxias de disco atuais geralmente contêm um disco externo espesso e repleto de estrelas e um disco fino de estrelas incrustado. Por exemplo, o disco espesso da nossa própria galáxia, a Via Láctea, tem aproximadamente 3.000 anos-luz de altura, e seu disco fino tem aproximadamente 1.000 anos-luz de espessura.

Como e por que essa estrutura de disco duplo se forma? Ao analisar dados de arquivo de múltiplos programas observacionais do Telescópio Espacial James Webb da NASA, uma equipe de astrônomos está mais perto de respostas, além de compreender as origens das galáxias de disco em geral.

A equipe identificou cuidadosamente, verificou visualmente e analisou uma amostra estatística de 111 galáxias de disco de borda em vários períodos — até 11 bilhões de anos atrás (ou aproximadamente 2,8 bilhões de anos após o Big Bang). Esta é a primeira vez que cientistas investigam estruturas de discos espessos e finos abrangendo distâncias tão vastas, preenchendo a lacuna entre observadores que investigam o universo primordial e arqueólogos galácticos que buscam compreender a história da nossa própria galáxia.

"Esta medição única da espessura dos discos em alto desvio para o vermelho, ou em momentos no início do universo, é uma referência para o estudo teórico que só foi possível com Webb", disse Takafumi Tsukui, principal autor do artigo e pesquisador da Universidade Nacional Australiana em Canberra.

"Normalmente, as estrelas mais velhas e espessas do disco são tênues, e as estrelas jovens e finas do disco ofuscam toda a galáxia. Mas com a resolução do Webb e a capacidade única de enxergar através da poeira e destacar estrelas velhas e tênues, podemos identificar a estrutura de dois discos das galáxias e medir suas espessuras separadamente." 

Dados em todos os momentos

Ao analisar esses 111 alvos ao longo do tempo cosmológico, a equipe conseguiu estudar galáxias de disco único e galáxias de disco duplo. Seus resultados indicam que as galáxias formam primeiro um disco espesso, seguido por um disco fino. O momento em que isso ocorre depende da massa da galáxia: galáxias de disco único e de alta massa transitaram para estruturas de dois discos há cerca de 8 bilhões de anos. Em contraste, galáxias de disco único e de baixa massa formaram seus discos finos incorporados posteriormente, há cerca de 4 bilhões de anos.

"Esta é a primeira vez que foi possível resolver discos estelares finos em redshifts mais altos. O que é realmente inovador é descobrir quando os discos estelares finos começam a emergir", disse Emily Wisnioski, coautora do artigo na Universidade Nacional Australiana em Canberra. "Ver discos estelares finos já em seu lugar há 8 bilhões de anos, ou até antes, foi surpreendente."

Um tempo turbulento para as galáxias

Para explicar essa transição de um único disco espesso para um disco espesso e fino, e a diferença de tempo para galáxias de alta e baixa massa, a equipe olhou além da amostra inicial de galáxias de borda e examinou dados mostrando gás em movimento do Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) e pesquisas terrestres.

Ao levar em consideração o movimento dos discos de gás das galáxias, a equipe constata que seus resultados se alinham com o cenário do "disco de gás turbulento", uma das três principais hipóteses propostas para explicar o processo de formação de discos espessos e finos. Nesse cenário, um disco de gás turbulento no universo primordial desencadeia intensa formação estelar, formando um disco estelar espesso. À medida que as estrelas se formam, elas estabilizam o disco de gás, que se torna menos turbulento e, consequentemente, mais fino.

Como galáxias massivas podem converter gás em estrelas com mais eficiência, elas se sedimentam mais cedo do que suas contrapartes de baixa massa, resultando na formação mais precoce de discos finos. A equipe observa que a formação de discos espessos e finos não são eventos isolados: o disco espesso continua a crescer à medida que a galáxia se desenvolve, embora seja mais lento do que a taxa de crescimento do disco fino.

Como isso se aplica ao lar

A sensibilidade do Webb está permitindo que astrônomos observem galáxias menores e mais fracas, análogas à nossa, em tempos remotos e com uma clareza sem precedentes pela primeira vez. Neste estudo, a equipe observou que o período de transição de um disco espesso para um disco espesso e fino coincide aproximadamente com a formação do disco fino da Via Láctea. Com o Webb, os astrônomos poderão investigar mais a fundo as progenitoras semelhantes à Via Láctea — galáxias que teriam precedido a Via Láctea — o que poderia ajudar a explicar a história da formação da nossa galáxia.

No futuro, a equipe pretende incorporar outros pontos de dados em sua amostra de galáxias de borda.

"Embora este estudo diferencie estruturalmente discos finos de espessos, ainda há muito mais que gostaríamos de explorar", disse Tsukui. "Queremos adicionar o tipo de informação que as pessoas geralmente obtêm sobre galáxias próximas, como movimento estelar, idade e metalicidade. Dessa forma, podemos unir os insights de galáxias próximas e distantes e refinar nossa compreensão da formação de discos ."

Phys.org