ALMA revela estruturas ocultas nas primeiras galáxias do universo

Astrônomos usaram o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para observar o universo primordial e descobrir os blocos de construção das galáxias durante seus anos de formação. O levantamento CRISTAL — abreviação de [CII] Resolved ISM in Star-forming galaxies with ALMA — revela gás frio, poeira e formação estelar aglomerada em galáxias observadas como surgiram apenas 1 bilhão de anos após o Big Bang.

Ilustração artística de CRISTAL-13. Regiões ricas em poeira obscurecem estrelas recém-nascidas, cuja energia é reemitida nos comprimentos de onda milimétricos do ALMA. À direita: aglomerados estelares jovens limpam a poeira e brilham visivelmente nas imagens do JWST e do HST. Crédito: NSF/AUI/NRAO/B. Saxton 

"Graças à sensibilidade e resolução únicas do ALMA, podemos decifrar a estrutura interna dessas galáxias primitivas de maneiras nunca antes possíveis", disse Rodrigo Herrera-Camus, pesquisador principal do levantamento CRISTAL, professor da Universidade de Concepción e diretor do Núcleo do Milênio para a Formação de Galáxias (MINGAL), no Chile. "O CRISTAL está nos mostrando como os primeiros discos galácticos se formaram, como as estrelas emergiram em aglomerados gigantes e como o gás moldou as galáxias que vemos hoje."

O CRISTAL, um grande programa do ALMA, observou 39 galáxias típicas de formação estelar, selecionadas para representar a principal população de galáxias no universo primordial. Utilizando a emissão de linha [CII], um tipo específico de luz emitida por átomos de carbono ionizados no gás interestelar frio, como traçador de gás frio e poeira, e combinando-a com imagens no infravermelho próximo dos Telescópios Espaciais James Webb e Hubble, os pesquisadores criaram um mapa detalhado do meio interestelar em cada sistema.

Entre as principais descobertas do estudo publicado na Astronomy & Astrophysics , está o fato de que a maioria das galáxias apresentou nascimento estelar em grandes aglomerados, cada um abrangendo vários milhares de anos-luz, revelando como as regiões de formação estelar se reúnem e evoluem. Um subconjunto de galáxias apresentou sinais de rotação, indicando a formação inicial de estruturas em forma de disco, precursoras das galáxias espirais modernas. A emissão [CII] frequentemente se estendia muito além das estrelas visíveis, indicando a presença de gás frio que pode alimentar a futura formação estelar ou ser expelido por ventos estelares.

Um retrato de família de galáxias do levantamento CRISTAL. O vermelho mostra o gás frio traçado pelas observações do ALMA [CII]. O azul e o verde representam a luz estelar capturada pelos Telescópios Espaciais Hubble e James Webb. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / HST / JWST / R. Herrera-Camus

"O que é empolgante sobre o CRISTAL é que estamos observando galáxias primitivas não apenas como pontos de luz, mas como ecossistemas complexos", disse Loreto Barcos-Muñoz, coautora do estudo, astrônoma do Observatório Nacional de Radioastronomia dos EUA (NRAO) e ponto de contato do ALMA para o levantamento. "Este projeto mostra como o ALMA pode decifrar a estrutura interna das galáxias mesmo no universo distante — revelando como elas evoluem, interagem e formam estrelas."

Duas galáxias se destacaram na pesquisa. CRISTAL-13 apresenta nuvens massivas de poeira cósmica que bloqueiam a luz visível de estrelas recém-nascidas. Essa luz é reprocessada em comprimentos de onda milimétricos detectáveis ​​pelo ALMA, revelando estruturas totalmente ocultas aos telescópios que observam em comprimentos de onda ópticos ou infravermelhos.

CRISTAL-10 apresenta um caso intrigante: sua emissão de carbono ionizado é anormalmente fraca em relação ao seu brilho infravermelho, uma característica observada apenas em galáxias raras e fortemente obscurecidas como Arp 220 no universo próximo. Isso sugere condições físicas extremas ou uma fonte de energia incomum em seu meio interestelar.

Amplie a emissão de uma galáxia primitiva observada no levantamento CRISTAL. Da esquerda para a direita, a imagem mostra a luz estelar capturada pelos telescópios espaciais James Webb e Hubble, bem como o gás frio e a rotação da galáxia rastreados pelo ALMA através da emissão de carbono ionizado. Crédito: ALMA / HST / JWST / R. Herrera-Camus

"Estas observações destacam o potencial do ALMA como uma máquina do tempo, permitindo-nos perscrutar as eras primitivas do universo", disse Sergio Martín, Chefe do Departamento de Operações Científicas do ALMA. "Programas como o CRISTAL demonstram o poder dos Grandes Programas do ALMA para impulsionar a ciência de alto impacto. Eles nos permitem abordar as grandes questões da evolução cósmica com a profundidade e a resolução sem precedentes que só um observatório de classe mundial como o ALMA pode proporcionar."

Ao conduzir o primeiro levantamento sistemático do gás frio em galáxias primitivas e compará-lo com suas estrelas e poeira, o CRISTAL oferece uma nova janela para a história cósmica. O levantamento prepara o terreno para observações futuras que podem revelar como as galáxias transitam de fases iniciais turbulentas para os sistemas bem estruturados que observamos no universo local.

"O CRISTAL fornece o tipo de dados multicomprimento de onda que nos permite testar e refinar nossas teorias sobre a evolução das galáxias", disse Herrera-Camus. "Este é um passo importante para entender como galáxias como a nossa Via Láctea surgiram."

Phys.org