Uma imagem mais nítida do universo primitivo: programa traz maior compreensão da formação de estrelas e galáxias

Como era o universo nas primeiras centenas de milhões de anos após sua existência? Como se formaram as primeiras estrelas e galáxias? Essas são perguntas que os astrônomos agora têm mais chances de responder, graças a um novo programa de pesquisa que utiliza o Telescópio Espacial James Webb (JWST), que entrou em operação em 2022.

"Um dos objetivos do telescópio Webb é encontrar as primeiras estrelas, as primeiras galáxias", diz Danilo Marchesini. "Com o MINERVA, queremos encontrar muitas coisas diferentes, e uma delas é procurar por galáxias candidatas muito robustas nos primeiros 300 milhões de anos." Crédito: Danilo Marchesini/MINERVA 

O programa MINERVA, coliderado por um astrônomo de Tufts, dará aos pesquisadores uma visão ainda melhor do universo primitivo usando instrumentos no telescópio Webb que observam um espectro de luz diferente do normalmente empregado.

Com essa capacidade, os pesquisadores esperam encontrar galáxias raras e incomuns para ajudá-los a entender a formação de galáxias , espiar através da poeira para descobrir se algumas das galáxias mais antigas ainda estão criando novas estrelas e entender mais sobre como os buracos negros supermassivos são formados.

MINERVA — sigla em inglês para Medium-band Imaging with NIRCam to Explore ReVolutionary Astrophysics — começou a usar o telescópio Webb em 25 de julho; as observações estão planejadas para durar um ano.

Danilo Marchesini, professor de física e astronomia e reitor de pesquisa de Artes e Ciências na Tufts, é co-pesquisador principal do MINERVA, que envolve professores e alunos da Tufts, bem como pesquisadores de muitas universidades e instituições do mundo todo.

Outros telescópios extremamente sensíveis, incluindo o Telescópio Espacial Hubble, fizeram pesquisas semelhantes, mas não foram capazes de fornecer imagens de alta definição do universo muito distante, no primeiro bilhão de anos da história cósmica.

Com o projeto MINERVA, os astrônomos obterão imagens de banda média usando o instrumento NIRCam no JWST e também imagens de outro instrumento do JWST chamado MIRI, o que permitirá observações mais refinadas de áreas que foram pesquisadas anteriormente, especialmente para objetos obscurecidos por poeira .

"A ideia aqui é obter o conjunto de dados multicomprimento de onda definitivo para a ciência da astronomia extragaláctica", diz Marchesini. Eles estão mirando quatro grandes campos extragalácticos — ou seja, aqueles fora da nossa galáxia, a Via Láctea — e esperam obter detalhes muito mais precisos.

Com os novos dados que eles coletarão, "vem um conhecimento muito preciso das propriedades dessas galáxias e de suas populações estelares — a massa estelar da galáxia, quantas estrelas a galáxia forma a cada ano e seu histórico de formação estelar", diz ele.

Vendo objetos raros

Com imagens de banda larga, os cientistas conseguiram escanear grandes seções do cosmos, mas sacrificaram o foco — eles nem sempre conseguiam dizer se as emissões que estavam vendo eram de estrelas totalmente formadas, de formação estelar intensa ou de buracos negros supermassivos.

Mas com a imagem de banda média, "estamos amostrando a distribuição de energia espectral com muito mais precisão, algumas vezes melhor do que com a banda larga", diz Marchesini. Isso significa, por exemplo, que eles conseguem distinguir entre uma galáxia quiescente — que não está mais formando estrelas — e uma galáxia que está ativamente formando muitas estrelas, mas a obscuração da poeira a faz parecer uma galáxia quiescente com apenas imagens de banda larga.

Os quatro alvos extragalácticos nos quais o MINERVA está se concentrando "aumentarão por um fator de cerca de 10" a área de campos extragalácticos para os quais os astrônomos terão amostragem completa e aprofundada.

"A área é importante, porque também buscamos objetos raros", diz Marchesini. "É preciso amostrar uma área maior do universo para encontrar objetos raros e muito interessantes, especialmente se você for às galáxias onde elas são as primeiras galáxias a se formar ou àquelas galáxias quiescentes muito interessantes no primeiro bilhão de anos da história cósmica."

Um dos objetivos é focar no período conhecido como aurora cósmica — uma fase inicial no crescimento do universo após o Big Bang. Nas primeiras centenas de milhões de anos, o universo era composto inteiramente de hidrogênio neutro e hélio, uma era chamada de era das trevas.

"É antes do surgimento das primeiras estrelas e galáxias", diz Marchesini. "Depois, surgem as primeiras estrelas, galáxias e buracos negros."

Uma mudança no tempo

Em astronomia, a distância entre os objetos no espaço reflete há quanto tempo eles se formaram, pois quanto mais distante um objeto está, mais distante no tempo o vemos. Essa distância é medida em desvio para o vermelho — essencialmente uma variação no espectro de luz emitido por um objeto à medida que se afasta de nós. Quanto mais distante, maior é o seu desvio para o vermelho.

Para observar o universo quando ele era 5 bilhões de anos mais jovem — quando o universo tinha cerca de 7,7 bilhões de anos — "precisamos observar galáxias com um valor de desvio para o vermelho de 1, mas se quisermos observar galáxias quando o universo tinha um bilhão ou meio bilhão de anos, precisamos observar galáxias com um valor de desvio para o vermelho de 6 ou 10", diz Marchesini.

"Um dos objetivos do telescópio Webb é encontrar as primeiras estrelas , as primeiras galáxias", diz ele. "Com o MINERVA, queremos encontrar muitas coisas diferentes, e uma delas é procurar por galáxias candidatas muito robustas nos primeiros 300 milhões de anos, ou com desvio para o vermelho acima de 13."

Com a imagem de banda média, os astrônomos podem diferenciar entre objetos do desvio para o vermelho 13 e, digamos, galáxias obscurecidas pela poeira muito posteriores do desvio para o vermelho 5. (A luz obscurecida pela poeira é mais fraca, fazendo com que pareça mais distante do que realmente está.) Com essa informação, os pesquisadores podem "tentar juntar melhor as peças de como as galáxias evoluíram, especialmente durante essa fase empoeirada", diz ele.

Os pesquisadores também estão muito interessados ​​nas primeiras galáxias quiescentes — galáxias que pararam de formar estrelas e permanecem quiescentes pelo resto de sua existência. "O MINERVA nos permitirá identificar uma amostra muito robusta de galáxias quiescentes desde o desvio para o vermelho 3, onde sabemos que existem galáxias quiescentes, até o desvio para o vermelho 8, tentando realmente descobrir quando as primeiras galáxias quiescentes aparecem no universo", diz Marchesini.

Eles também serão capazes de rastrear a frequência e a densidade de galáxias quiescentes ao longo do tempo cósmico. "Uma vez que saibamos disso observacionalmente, poderemos entender, por meio de simulações e modelos, todos os mecanismos físicos interessantes responsáveis ​​por seu crescimento, sua extinção e, de fato, ter uma abordagem sinérgica entre observações e teoria", diz Marchesini.

Outro objetivo do MINERVA é compreender melhor uma classe de objetos encontrados anteriormente pelo telescópio Webb, chamados "pequenos pontos vermelhos". Os astrônomos acreditam que sejam buracos negros supermassivos, mas não sabem se há gás e estrelas ao redor deles.

"O MINERVA certamente nos permitirá identificar pequenos pontos vermelhos de uma forma muito mais robusta", diz Marchesini, "determinando a evolução do número e da densidade de pequenos pontos vermelhos e dos buracos negros supermassivos centrais que acreditamos estarem gerando-os. Isso é muito importante para entender como, por exemplo, buracos negros supermassivos se desenvolveram no universo e como se conectam com a galáxia hospedeira em que vivem."

Atualmente, há uma ampla gama de modelos teóricos sobre o desenvolvimento de buracos negros supermassivos, e Marchesini diz que os pequenos pontos vermelhos "podem ser a chave para entender ou discriminar entre esses diferentes cenários e modelos".

Marchesini se diz entusiasmado com o início do programa MINERVA neste verão. "Ele certamente proporcionará ciência e resultados transformadores", afirma.

Phys.org