Nova teoria pode explicar os misteriosos “pequenos pontos vermelhos” no universo primitivo

Halos de matéria escura girando lentamente podem ser responsáveis pelas galáxias raras e compactas detectadas pelo Telescópio Espacial James Webb.

Galáxias distantes aparecem espalhadas pelo céu noturno nesta imagem de campo profundo do Telescópio Espacial James Webb. As galáxias mais distantes aparecem como pequenos pontos avermelhados, os misteriosos Pequenos Pontos Vermelhos. Crédito: NASA, ESA, CSA, S. Finkelstein (Universidade do Texas) 

Astrônomos do Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian propuseram uma nova explicação para algumas das galáxias primitivas mais intrigantes do universo, apelidadas de “pequenos pontos vermelhos”.

No estudo, publicado no The Astrophysical Journal Letters , os autores Fabio Pacucci e Abraham (Avi) Loeb sugerem que essas galáxias são o resultado de halos de matéria escura girando muito lentamente, uma estrutura cósmica extremamente rara.

Esses objetos compactos e tênues, descobertos em imagens do espaço profundo do Telescópio Espacial James Webb (JWST), desafiaram a compreensão dos cientistas sobre como as galáxias e os buracos negros se formaram no universo primitivo.

O artigo deles, “Cosmic Outliers: Low-Spin Halos Explain the Abundance, Compactness, and Redshift Evolution of the Little Red Dots” (Valores Cósmicos Atípicos: Halos de Baixo Spin Explicam a Abundância, Compactação e Evolução do Desvio para o Vermelho dos Pequenos Pontos Vermelhos), oferece uma explicação física para as propriedades distintas dos pontos.

“Pequenos pontos vermelhos são galáxias distantes, muito compactas e vermelhas, que não haviam sido detectadas antes do Telescópio Espacial James Webb”, disse Pacucci. “Eles são, sem dúvida, a descoberta mais surpreendente do JWST até o momento. Nosso trabalho mostra que eles podem se formar naturalmente em halos de matéria escura com spin muito baixo.”

Um quebra-cabeça no universo primitivo

Essas galáxias são visíveis principalmente quando o Universo tinha apenas um bilhão de anos, mas provavelmente se formaram muito antes, disse Pacucci, durante um período conhecido como aurora cósmica. Apesar de terem cerca de um décimo do tamanho de galáxias típicas, observações astronômicas mostram que elas parecem excepcionalmente brilhantes. Os astrônomos acreditam que sua impressionante cor vermelha sugere que elas estão envoltas em poeira ou repletas de estrelas mais velhas.

Durante anos, os astrônomos debateram se a luz que observamos desses objetos é gerada por estrelas ou buracos negros supermassivos centrais.

“É um mistério fundamental”, disse Pacucci. “Se contiverem buracos negros, esses buracos negros são enormes para galáxias tão pequenas. Mas se contiverem apenas estrelas, as galáxias são compactas demais para conter todas elas, atingindo densidades estelares centrais impensáveis.” 

Em vez de focar no que alimenta os pontos luminosos, Pacucci e Loeb adotaram uma abordagem diferente: eles examinaram como tais objetos poderiam se formar em primeiro lugar.

O ciclo de baixa rotação

Os halos de matéria escura são a estrutura invisível e giratória em torno da qual as galáxias se formam. Em seu artigo, os autores mostram que os pontos luminosos se formam em halos que estão no 1% mais baixo da distribuição de spin. Em outras palavras, 99% de todos os halos giram mais rápido do que esses. Esses halos de baixo spin naturalmente criariam galáxias extremamente compactas. Assim como os balanços de um parque de diversões, quanto mais rápido o halo gira, mais os balanços se estendem, fazendo com que a galáxia em formação em seu centro se expanda; da mesma forma, um giro lento mantém o raio dos balanços menor.

Essa hipótese também explica por que pontos luminosos são relativamente raros: eles representam apenas 1% da abundância de galáxias típicas, mas são mais comuns que quasares, os centros extremamente brilhantes de buracos negros supermassivos que brilham no centro de algumas galáxias.

Além disso, a teoria ajuda a esclarecer por que pontos luminosos são observados apenas durante um breve período de 1 bilhão de anos no universo primordial. À medida que o universo evolui, os halos de matéria escura aumentam de tamanho e ganham mais momento angular, dificultando a formação de galáxias compactas e de baixa rotação.

“Halos de matéria escura são caracterizados por uma velocidade de rotação: alguns giram muito lentamente, enquanto outros giram mais rapidamente”, disse Loeb. “Mostramos que, se assumirmos que os pequenos pontos vermelhos estão tipicamente no primeiro percentil da distribuição de spin dos halos de matéria escura, então explicamos todas as suas propriedades observacionais.”

Ambientes Primários para Buracos Negros

Embora o artigo não resolva se os pequenos pontos vermelhos são alimentados por estrelas ou buracos negros, ele sugere que eles são ambientes propícios para o rápido crescimento estelar ou de buracos negros.

“Halos de baixo spin tendem a concentrar massa no centro, o que torna mais fácil para um buraco negro acumular matéria ou para que estrelas se formem rapidamente”, disse Pacucci.

Alguns dos pontos apresentam linhas de emissão amplas em seus espectros, que são possíveis sinais de buracos negros ativos, mas não apresentam a emissão de raios X tipicamente associada a eles. Pacucci lidera novos programas para compreender melhor a natureza dessas fontes astrofísicas peculiares. Por exemplo, encontrar galáxias semelhantes próximas esclarecerá em que elas evoluem mais adiante no espaço. 

“Nosso trabalho é um passo em direção à compreensão desses objetos misteriosos”, disse ele. “Eles podem nos ajudar a entender como os primeiros buracos negros se formaram e coevoluíram com as galáxias no universo primordial.”

Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian