• Começa com um estrondo

As “galáxias mais distantes” do JWST podem estar enganando a todos nós

O JWST já viu galáxias mais distantes do que qualquer outro observatório. Mas muitos candidatos a 'o mais distante de todos' provavelmente são impostores.

Principais conclusões

• No final de 2022, apesar de estar operando apenas por alguns meses, o JWST quebrou o recorde de todos os tempos do Hubble para a galáxia mais distante já observada.
• Em sua primeira imagem de campo profundo, de fato, havia um total de 87 'galáxias ultra-distantes candidatas' identificadas em uma visualização do JWST do aglomerado de galáxias SMACS 0723.
• Mas há uma excelente chance de que muitos desses candidatos, talvez até a maioria ou quase todos, não sejam realmente ultradistantes.

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Em algum lugar lá fora, nos recessos distantes do Universo em expansão, está a galáxia mais distante que somos capazes de ver. Quanto mais longe um objeto está, mais tempo a luz leva para viajar pelo Universo até chegar até nós. À medida que olhamos para distâncias cada vez maiores, vemos os objetos como eles estavam cada vez mais longe no tempo: mais perto do início do Big Bang quente. O Universo, por ter nascido quente, denso e relativamente uniforme, requer muito tempo — centenas de milhões de anos, pelo menos — para que essas primeiras galáxias se formem; além disso, não há nada para ver.

Sabíamos que precisava haver galáxias além dos limites do que o Hubble era capaz de ver, e o JWST foi projetado precisamente com as especificações necessárias para encontrar o que o Hubble não pode. Mesmo na primeira imagem científica divulgada pelos cientistas do JWST, mostrando o aglomerado de galáxias SMACS 0723 com lente gravitacional, um grande número de objetos que tinham todas as propriedades que um ultra-distante teria foram identificados, apesar de ocupar apenas uma pequena região do céu. Se todos esses candidatos a galáxias ultradistantes fossem reais, teríamos muitos deles muito cedo, forçando-nos a repensar como as galáxias começam a se formar dentro do Universo. Mas podemos estar nos enganando completamente e não saberemos ao certo apenas com nossos dados atuais. Aqui está o porquê.

Quanto mais longe olhamos no espaço, mais longe estamos olhando para trás no tempo e vendo o Universo como era quando era mais jovem, menor, mais denso e menos evoluído. Ao medir como o Universo se expande ao longo do tempo, podemos saber quais formas de matéria e energia estão presentes nele.

Sabemos, observacionalmente, que não havia estrelas ou galáxias logo após o Big Bang. Também sabemos, observacionalmente, que nos limites observacionais do Hubble – levando-nos de volta 13,4 bilhões de anos no tempo, para objetos que existiam apenas ~ 400 milhões de anos após o Big Bang – as galáxias já são massivas, ricas em estrutura e evoluídas em termos dos elementos que existem dentro deles. De alguma forma, temos que ir de um Universo que nasceu quase perfeitamente uniforme, com as regiões mais densas apenas algumas partes em 100.000 mais densas do que a média, para um que é rico em galáxias massivas evoluídas em apenas algumas centenas de milhões de anos.

Infelizmente, não podemos simplesmente procurar a luz que essas galáxias distantes emitem. Existe uma diferença tremenda entre a luz que uma galáxia distante emite e a luz que chega aos nossos olhos depois de viajar bilhões de anos-luz pelo Universo. Essa luz inicialmente emitida é afetada por tudo que interage com ela ao longo de sua jornada, incluindo:

• matéria neutra de bloqueio de luz,
• gás quente e plasma que espalha e dispersa essa luz,
• aglomerados de matéria crescendo e encolhendo que alteram o potencial gravitacional na região onde a luz está se propagando,
• e a expansão do Universo, que estende o comprimento de onda de qualquer luz que o atravessa.

Esta animação simplificada mostra como a luz muda para o vermelho e como as distâncias entre os objetos não vinculados mudam ao longo do tempo no Universo em expansão. Como as distâncias entre os objetos não são constantes com o passar do tempo, o Universo em expansão não possui invariância de translação do tempo, e uma consequência disso é que a energia não é conservada em uma escala cósmica. Objetos cada vez mais distantes tornam-se visíveis à medida que a luz emitida há muito tempo, em trânsito por bilhões de anos, começa a chegar aos nossos olhos pela primeira vez. Isso permanece verdadeiro mesmo em um Universo rico em energia escura.

Mesmo que as leis da física – desde a física quântica que governa elétrons, átomos e íons até a física térmica e estelar que governa estrelas e galáxias – sejam as mesmas em todo o Universo, objetos em distâncias diferentes não aparecerão da mesma maneira quando você os observa. Os ambientes em que se encontram, assim como os ambientes pelos quais devem passar a caminho de nossos olhos e instrumentos, alteram essa luz de forma irrevogável. Se quisermos entender e descobrir o que está lá fora, precisamos ser capazes não apenas de observar a luz mais distante possível, mas também de reconstruir como era essa luz quando foi emitida pela primeira vez há tanto tempo.

Uma das dicas mais sugestivas que você pode ver e que pode fazer você suspeitar que está vendo algo de muito tempo atrás e de longe é simplesmente baseada na cor do que você está olhando. As estrelas, em geral, emitem luz do ultravioleta através do visível e na porção infravermelha do espectro. Quando você vê um objeto de cor mais vermelha do que os objetos próximos típicos que observamos em nossa vizinhança, há muitos motivos possíveis para que ele pareça vermelho. Pode estar cheio de estrelas intrinsecamente vermelhas. Pode ser extremamente empoeirado, onde o material de bloqueio de luz obscurece a luz de comprimento de onda mais curto. Mas uma possibilidade fascinante que deve ser considerada é que é vermelho porque a expansão do Universo deslocou essa luz, emitida em comprimentos de onda muito mais curtos, para os comprimentos de onda longos que agora observamos.

Quanto mais longe uma galáxia está, mais rápido ela se afasta de nós e mais sua luz parece desviada para o vermelho. Uma galáxia que se move com o Universo em expansão estará hoje ainda a um número maior de anos-luz de distância do que o número de anos (multiplicado pela velocidade da luz) que levou para a luz emitida por ela chegar até nós. Em um Universo com energia escura, à medida que o objeto se afasta com o tempo, ele parece se afastar de nós em velocidades cada vez maiores.

Uma das chaves para desvendar nossa compreensão de nosso cosmos, bem como nosso lugar dentro dele, surgiu no século 20, quando descobrimos a expansão do Universo. A própria estrutura do espaço é como uma bola de massa levedada, e as galáxias dentro dela são como passas espalhadas por toda ela. À medida que a massa fermenta, ela se expande e todas as passas se afastam mutuamente umas das outras. Da perspectiva de qualquer uva-passa individual - ou de qualquer observador localizado dentro de uma galáxia - as outras passas (galáxias) se afastam dela, com uvas-passas (galáxias) mais distantes recuando mais rapidamente e a luz viajando de uma para a outra experimentando uma mudança maior em seu comprimento de onda do que os encontrados mais próximos.

Você não pode simplesmente detectar a luz de qualquer comprimento de onda arbitrário com qualquer telescópio, detector ou observatório antigo. A luz de comprimento de onda mais longa e vermelha corresponde a energias mais baixas e temperaturas mais baixas e, se você quiser detectá-la, seu telescópio e seus instrumentos devem estar frios o suficiente para que a luz de baixa energia que você procura detectar seja o sinal que pode subir acima todas as formas de ruído que estariam presentes. Enquanto o Hubble pode ver a luz em um comprimento de onda de cerca de 1,5 mícron, o JWST é frio o suficiente para ver a luz até ~ 20 vezes mais em comprimento de onda: até ~ 30 mícrons em comprimento de onda. Somente por causa de suas propriedades frias, criogênicas e primitivas, ele pode ver os objetos mais vermelhos e distantes de todos.

O JWST, agora totalmente operacional, tem sete vezes o poder de captação de luz do Hubble, mas será capaz de ver muito mais longe na porção infravermelha do espectro, revelando as galáxias existentes ainda antes do que o Hubble jamais poderia ver, devido à sua capacidades de comprimento de onda mais longo e temperaturas operacionais muito mais baixas. Populações de galáxias vistas antes da época de reionização devem ser abundantemente descobertas, e o antigo recorde de distância cósmica do Hubble já foi quebrado.

Não deveria ser surpresa para ninguém que, mesmo em sua primeira observação científica lançada, o JWST encontrou um grande número de objetos extremamente vermelhos. Mas só porque você vê algo vermelho não significa que seja uma galáxia ultradistante. Existem muitos sinais que podem enganá-lo:

• galáxias onde todas as estrelas quentes, azuis e massivas morreram, mas as estrelas mais vermelhas permanecem,
• galáxias que são ricas em grãos de poeira de tamanhos pequenos e comuns, que são eficientes em bloquear a luz mais azul, mas são transparentes à luz mais vermelha,
• ou galáxias que existem ao longo de uma linha de visão que dispersa ou bloqueia os comprimentos de onda mais azuis da luz que passa por eles, deixando os vermelhos para trás.

Esse é o problema da mais básica das técnicas astronômicas que permitem medir a cor de um objeto ou conjunto de objetos: a fotometria. Assim como os humanos têm três tipos de cones em nossos olhos – sensíveis ao vermelho, verde e azul – nossos telescópios têm vários filtros, sensíveis a diferentes faixas de comprimento de onda da luz. Quando você vê que os intervalos de comprimento de onda mais curtos não mostram luz e, em seguida, os intervalos de comprimento de onda mais longos além de um certo limite mostram muita luz, você tem um excelente candidato para uma galáxia ultradistante.

Este diagrama mostra a resposta fotométrica de uma candidata a galáxia ultra-distante do JWST Deep Advanced Extragalactic Survey: JADES. A escassez de luz em comprimentos de onda curtos e a abundância em comprimentos de onda longos sugerem a possibilidade de ser ultra-distante, mas a confirmação espectroscópica é necessária para ter certeza.

Mas há uma razão pela qual chamamos esse objeto apenas de galáxia ultradistante “candidata”: claro, é vermelha e sugere a ideia de que podemos estar vendo luz extremamente desviada para o vermelho, mas precisamos confirmar essa ideia com imagens superiores e inequívocas. dados.

Como você confirma a distância de um objeto cuja luz parece extremamente vermelha?

É aí que entra a técnica da espectroscopia. A espectroscopia é muito mais precisa que a fotometria; em vez de algumas “caixas” amplas que abrangem uma variedade de comprimentos de onda, dividimos a luz em componentes incrivelmente finos, permitindo-nos discernir diferenças no fluxo em pequenas frações de um ångström. Em particular, procuramos uma característica conhecida como quebra de Lyman: correspondente à transição atômica mais poderosa do hidrogênio: do segundo nível de energia mais baixo até o estado fundamental. Sabemos que ocorre sempre no mesmo comprimento de onda: 121,5 nanômetros. Se pudermos medir esse recurso e medir o comprimento de onda observado no qual ele aparece, podemos apenas fazer um pouco de matemática para determinar, sem ambiguidade, o desvio para o vermelho único e intrínseco do objeto distante em questão.

Vários objetos extremamente diferentes na imagem JWST de SMACS 0723 foram revelados, e o poder da espectroscopia nos permitiu determinar precisamente a que distância eles estão e quanto sua luz é esticada pela expansão do Universo. Esta é uma poderosa demonstração das capacidades do JWST, bem como uma ilustração das capacidades da lente gravitacional. No entanto, apenas uma pequena seleção de objetos identificados neste campo foi visualizada espectroscopicamente; a maioria dos objetos permanecem não confirmados.

A primeira imagem científica já divulgada pela equipe JWST, do aglomerado de galáxias SMACS 0723, foi extremamente profunda, observando a mesma região do céu em muitos filtros fotométricos diferentes por longos períodos de tempo. Nesse conjunto de dados, havia muitos objetos com uma variedade de propriedades, quase todos os quais eram galáxias do Universo distante. Mas entre esses objetos, havia alguns que se destacavam dos demais. Em particular, 87 desses pontos de luz foram vistos como extraordinariamente vermelhos, sem nenhuma luz visível nos filtros fotométricos JWST de menor comprimento de onda. É por isso que elas são tratadas como candidatas a galáxias ultradistantes.

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Mas ser candidato é apenas parte do jogo; você precisa reunir os dados espectroscópicos críticos se quiser responder à importante pergunta: 'Quantos deles são reais?' Em outras palavras, quantos deles não são apenas “candidatos” para serem galáxias ultradistantes, mas são realmente galáxias ultradistantes, em vez de objetos impostores que existem em redshifts mais baixos? São todos eles? A maioria deles? Alguns deles? Ou apenas alguns?

Neste momento, para as 87 candidatas a galáxias ultra-distantes no campo de visão do JWST do aglomerado de galáxias SMACS 0723, apenas uma delas foi observada espectroscopicamente: é distante, com um desvio para o vermelho de 8,6 (correspondente a uma idade de o Universo de aproximadamente 560 milhões de anos na época), mas não é a galáxia ultra-distante que esperávamos.

Os quatro objetos mais distantes confirmados espectroscopicamente dentro da área de pesquisa JADES até agora com desvios para o vermelho maiores que 10. Estes são 4 dos 5 objetos mais distantes já observados, e os três mais distantes mantêm os pontos #1, #2 e #3 como do início de 2023.

Felizmente, existe uma pesquisa do JWST que já possui dados fotométricos e espectroscópicos: JADES. representando o JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, O JADES pega uma região do espaço já observada em alta resolução, em muitos filtros e por longos períodos de tempo pelo Hubble, e então adiciona uma camada de dados fotométricos JWST sobre ela. Usando os dados fotométricos do Hubble e do JWST combinados, eles identificaram uma série de candidatas a galáxias potencialmente ultra-distantes. o número exato não foi publicado , mas sabemos que dezenas de candidatos foram considerados para observações de acompanhamento.

Os dados fotométricos foram então acompanhados com espectroscopia usando o instrumento NIRSpec do JWST. Embora não tenhamos como saber, no momento, quantas dessas galáxias candidatas foram consideradas simplesmente intrusas, sabemos que quatro galáxias dessa amostra foram identificados como robustos em distâncias ultra-altas. Dois eram candidatos identificados a partir de dados do Hubble; dois eram candidatos identificados pelos dados do JWST. Mas todos os quatro são de tempos extremamente antigos, quando o Universo tinha menos de meio bilhão de anos; todos os quatro mostram aquele recurso requintado de quebra de Lyman; e a mais distante está com um desvio para o vermelho de 13,2, cuja luz foi emitida apenas 320 milhões de anos depois do Big Bang: quando o Universo tinha apenas 2,3% de sua idade atual.

As quatro galáxias mais distantes identificadas como parte do JADES, até agora, incluem três que ultrapassam o limite de “galáxia mais distante” previamente definido pelo Hubble. Com não mais de um quarto do total de dados JADES obtidos até agora, esse recorde provavelmente cairá novamente, talvez várias vezes, nos próximos meses e anos, mas a característica inequívoca da quebra de Lyman pode ser vista claramente.

Se todas as 87 candidatas a galáxias ultra-distantes encontradas no campo de SMACS 0723 forem realmente galáxias ultra-distantes - se mais tarde forem confirmadas espectroscopicamente - então esta observação representa um problema significativo para a imagem padrão de como a estrutura cósmica se forma no Universo. Simplesmente não deveria haver um número tão grande de galáxias brilhantes, massivas e já evoluídas neste estágio inicial da história cósmica.

No pesquisa apresentada no 241º encontro da American Astronomical Society , O professor Haojing Yan defendeu fortemente que muitas dessas galáxias provavelmente eram objetos ultradistantes e que astrônomos e astrofísicos podem ser forçados a repensar o nascimento, o crescimento e a evolução precoce das galáxias, se for esse o caso. Ele estava tão confiante na qualidade dos dados fotométricos e no que eles sugeriam, que estava disposto a apostar uma cerveja muito grande que mais de 50% dessas candidatas a galáxias acabariam sendo confirmadas espectroscopicamente, e que nossas ideias sobre a população, abundância e as propriedades dessas muitas galáxias exigiriam uma reavaliação cósmica de como elas se formaram tão cedo.

Esta composição de imagem quase perfeitamente alinhada mostra a primeira visão de campo profundo do JWST do núcleo do cluster SMACS 0723 e a contrasta com a visão mais antiga do Hubble. A imagem JWST do aglomerado de galáxias SMACS 0723 é a primeira imagem científica colorida e multicomprimento de onda obtida pelo JWST. É a imagem mais profunda já obtida do Universo ultradistante, com 87 candidatas a galáxias ultradistantes identificadas dentro dela. Aguardam acompanhamento e confirmação espectroscópica.

Sem os dados críticos, tudo isso é simplesmente especulação. A busca não é determinar se o palpite de alguém está correto ou não, é entender e medir a verdadeira natureza desses objetos, descobrindo quais são galáxias ultradistantes, quais são intrusos menos distantes e entender o que os falsos taxa positiva é e o que a determina. Mas você não pode tirar nenhuma conclusão definitiva sem espectroscopia; para os não astrônomos, você deve confiar em uma medição fotométrica do redshift tanto quanto em uma suposta foto do Monstro do Lago Ness para revelar a verdade sobre sua natureza.

Existem 87 candidatas a serem galáxias ultradistantes dentro do campo do aglomerado SMACS 0723, e é seguro apostar que algumas delas realmente são galáxias ultradistantes. Eu até estaria disposto a apostar que pelo menos um desses candidatos está mais distante do que o atual detentor do recorde cósmico para a galáxia mais distante: JADES-GS-z13-0. Mas sem os dados espectroscópicos críticos sobre essas galáxias - permitindo uma medição da taxa de falsos positivos de candidatos fotométricos - não temos como saber se algumas dessas galáxias, muitas delas, a maioria delas, ou mesmo quase todas elas são impostores menos distantes, enganando nossos olhos inexperientes fazendo-os pensar que estão mais distantes do que realmente são. Enquanto isso, por mais empolgante que seja a possibilidade de que nossa história cósmica precise ser repensada, temos que ter em mente que as supostas “galáxias mais distantes” do JWST podem estar enganando a todos nós.

Nota: Ethan Siegel concordou em comprar para o Dr. Haojing Yan pelo menos uma jarda de cerveja na reunião da AAS do próximo ano, se mais de 50% dos candidatos à galáxia colocou em seu papel são confirmados espectroscopicamente.

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