Esta galáxia escura e maciça recém-descoberta pode ser o 'elo perdido' da astronomia no universo?
A impressão deste artista de uma galáxia massiva primitiva que se forma a partir da fusão de protogaláxias menores mostra como ela deve ser obscurecida pela poeira durante as fases mais rápidas da formação de estrelas. Pela primeira vez, uma equipe de astrônomos pode ter descoberto o elo perdido entre as galáxias mais antigas e mais massivas que vemos. (JAMES JOSEPHIDES/CHRISTINA WILLIAMS/IVO LABBE)
Se esta galáxia recém-descoberta for apenas a ponta do iceberg, todo o Universo pode se encaixar.
Um dos maiores desafios para um cientista é que cada vez que você faz um novo avanço, ele só levanta mais questões. Quando olhamos para o nosso Universo hoje, vemos galáxias com todos os tipos de propriedades diferentes. Vemos elípticas gigantes que não formam estrelas há bilhões de anos; vemos espirais semelhantes à Via Láctea que são ricas em elementos pesados; vemos galáxias irregulares; vemos galáxias anãs; vemos galáxias ultra-distantes que parecem estar formando estrelas apenas pela primeira ou segunda vez.
Mas quando você junta tudo isso, há alguns quebra-cabeças. Algumas galáxias se tornaram tão grandes tão cedo que desafiaram uma explicação coerente. Com apenas galáxias pequenas e de baixa massa encontradas a grandes distâncias pelo Hubble, a formação ativa de uma grande galáxia tem sido o elo perdido da astronomia. Com uma nova descoberta de uma galáxia escura e massiva , os astrônomos podem ter acabado de desvendar o mistério e resolver um quebra-cabeça cósmico de longa data.
As galáxias comparáveis à atual Via Láctea são numerosas, mas as galáxias mais jovens semelhantes à Via Láctea são inerentemente menores, mais azuis, mais caóticas e mais ricas em gás em geral do que as galáxias que vemos hoje. Para as primeiras galáxias de todas, isso deve ser levado ao extremo e permanece válido desde que já vimos. Há uma lacuna inexplicável entre as primeiras proto-galáxias e as primeiras grandes galáxias que os astrônomos lutaram para explicar. (NASA E ESA)
Para entender como as galáxias se formam e crescem em nosso Universo, é sempre melhor começar do início. Os cosmólogos montaram uma imagem abrangente e coerente do Universo, e se traçarmos como esse Universo evolui e cresce desde seu humilde começo até o cosmos que habitamos hoje, devemos ser capazes de criar uma história que nos diga o que devemos ver.
O Universo, após o Big Bang ( pós-inflação ), entra em cena com as sementes para nossas galáxias modernas já plantadas. Nosso Universo é quente, denso, em expansão e cheio de matéria, antimatéria, matéria escura e radiação. Também nasce quase perfeitamente uniforme, mas com pequenas imperfeições de densidade. Em todas as escalas, as regiões mais densas são apenas algumas partes em 100.000 mais densas que a média, mas isso é tudo que o Universo precisa.
As observações em maior escala no Universo, desde o fundo cósmico de micro-ondas até a teia cósmica, aglomerados de galáxias e galáxias individuais, todas requerem matéria escura para explicar o que observamos. A estrutura de grande escala exige isso, mas as sementes dessa estrutura, do Fundo Cósmico de Microondas, também exigem. (CHRIS BLAKE E SAM MOORFIELD)
À medida que o Universo se expande e esfria, as regiões que têm um pouco mais de matéria (normal e escura combinadas) do que outras começarão a atrair preferencialmente mais e mais matéria das regiões vizinhas para ele. Com o passar do tempo, a radiação torna-se menos importante, e essas imperfeições da matéria podem crescer a uma taxa mais rápida à medida que continuam a crescer em densidade.
Embora leve algo entre 50 e 100 milhões de anos para a primeira região do Universo se tornar densa o suficiente para formar estrelas, isso é apenas o começo da história. Essas primeiras estrelas, uma vez que começam a se acender, anunciam a chegada de fótons ultravioleta energéticos que começam a fluir pelo Universo. Com o tempo, à medida que as estrelas se formam em mais e mais locais, os átomos neutros em todo o espaço começam a ser reionizados, à medida que o Universo lentamente se torna transparente à luz visível.
A galáxia mais distante já descoberta no Universo conhecido, GN-z11, tem sua luz vindo até nós de 13,4 bilhões de anos atrás: quando o Universo tinha apenas 3% de sua idade atual: 407 milhões de anos. Mas existem galáxias ainda mais distantes por aí, e todos esperamos que o Telescópio Espacial James Webb as descubra. (NASA, ESA E G. BACON (STSCI))
Por volta de 200 a 250 milhões de anos após o Big Bang, as primeiras galáxias começam a se formar, aumentando a taxa de reionização à medida que as regiões de formação de estrelas se aglomeram e se fundem. A galáxia mais antiga que já identificamos (com os limites de instrumentação de hoje) aparece cerca de 400 milhões de anos após o Big Bang, com todas as primeiras galáxias formando estrelas a uma taxa alarmante, mas não mais massiva que 1% da massa do nosso moderno Milky Caminho.
Após um total de 550 milhões de anos, o Universo finalmente se torna totalmente reionizado, e a luz pode viajar livremente sem ser absorvida. No entanto, continuamos a ver apenas essas galáxias brilhantes, mas de baixa massa, por algum tempo, até cerca de um bilhão de anos após o Big Bang, quando enormes galáxias ainda mais massivas do que a Via Láctea aparecem em nossos telescópios. O grande quebra-cabeça aqui é o elo perdido entre essas duas populações.
Em teoria, a forma como essas estruturas cósmicas devem se formar é através do crescimento gravitacional e das fusões. Proto-galáxias individuais devem atrair a matéria das regiões vizinhas do espaço, enquanto diferentes proto-galáxias devem atrair umas às outras. Com o passar do tempo, a influência gravitacional das várias galáxias começa a afetar escalas cada vez maiores, levando as galáxias a crescer comendo umas às outras e se fundindo.
Mas se esse fosse o caso, não esperaríamos ver apenas as pequenas e primitivas proto-galáxias e as grandes e maduras galáxias pós-fusão. Esperaríamos ver esse estágio intermediário, onde as proto-galáxias estão se fundindo, durante a fase de crescimento, onde a formação de estrelas está ocorrendo ativamente. Mas todas as primeiras galáxias que vimos não estão formando estrelas em uma taxa rápida o suficiente para explicar essas galáxias maduras.
A galáxia distante MACS1149-JD1 é gravitacionalmente captada por um aglomerado em primeiro plano, permitindo que ela seja fotografada em alta resolução e em vários instrumentos, mesmo sem tecnologia de última geração. A luz desta galáxia chega até nós 530 milhões de anos após o Big Bang, mas as estrelas dentro dela têm pelo menos 280 milhões de anos. Como passamos de galáxias minúsculas como essa para as massivas que vemos algumas centenas de milhões de anos depois é um mistério na evolução das galáxias. (ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA HUBBLE SPACE TELESCOPE, W. ZHENG (JHU), M. POSTMAN (STSCI), THE CLASH TEAM, HASHIMOTO ET AL.)
A expectativa padrão é que deve haver algum tipo de galáxia não descoberta entre essas proto-galáxias de baixa massa e do tipo inicial e as galáxias pesadas, massivas e maduras que vemos. Para essas galáxias indescritíveis não aparecerem nas mesmas pesquisas que encontram os outros tipos de galáxias, significa que deve haver algo que está obscurecendo a luz que esperamos chegar.
Para as galáxias mais distantes que estão formando ativamente novas estrelas nas maiores taxas, esperamos que a luz que emitirão atinja o pico em comprimentos de onda ultravioleta, assim como acontece com todas as regiões massivas de formação de estrelas, onde a luz é dominada por estrelas significativamente mais. massivo que o Sol. Depois de viajar pelo Universo em expansão, essa luz deve mudar para o vermelho do ultravioleta através da parte visível do espectro e até o infravermelho. No entanto, nossas observações infravermelhas mais profundas revelam apenas as galáxias do tipo inicial e tardio, não o tipo intermediário.
Uma jovem região de formação de estrelas encontrada dentro da nossa Via Láctea. Observe como o material ao redor das estrelas fica ionizado e, com o tempo, torna-se transparente a todas as formas de luz. Até que isso aconteça, no entanto, o gás circundante absorve a radiação, emitindo luz própria de uma variedade de comprimentos de onda. No início do Universo, leva centenas de milhões de anos para que o Universo se torne totalmente transparente à luz, e as galáxias recém-fundidas podem exigir escalas de tempo muito longas para ionizar todo o gás e poeira obscuros enquanto a galáxia cresce e forma estrelas. (NASA, ESA, E HUBBLE HERITAGE (STSCI/AURA) - COLABORAÇÃO DA ESA/HUBBLE; AGRADECIMENTOS: R. O'CONNELL (UNIVERSIDADE DA VIRGÍNIA) E O COMITÊ DE SUPERVISÃO CIENTÍFICA WFC3)
Por que isso pode ser? A explicação mais simples seria se algo estivesse bloqueando essa luz de alguma forma. No momento em que o Universo está no processo de formar essas galáxias muito massivas, ele já está reionizado, então não podemos culpar o meio intergaláctico por absorver a luz. Mas o que pode ser um culpado razoável é o gás e a poeira que pertencem às proto-galáxias que se fundem para formar as galáxias de tipo tardio que eventualmente vemos.
Sempre que você tem uma região de formação de estrelas, mesmo que essa região englobe toda a galáxia, essas estrelas só são capazes de se formar onde você tem nuvens de gás neutro em colapso. Mas o gás neutro é exatamente o que esperamos para bloquear a luz ultravioleta e visível, absorvendo-a e depois irradiando-a em comprimentos de onda muito maiores, dependendo da temperatura do gás. Essa luz deve ser irradiada no infravermelho e deve ser desviada para o vermelho no microondas ou mesmo nas bandas de rádio.
A luz pode ser emitida em um determinado comprimento de onda, mas a expansão do Universo irá esticá-lo enquanto viaja. A luz emitida no ultravioleta será desviada totalmente para o infravermelho ao considerar uma galáxia cuja luz chega de 13,4 bilhões de anos atrás; a transição Lyman-alfa em 121,5 nanômetros torna-se radiação infravermelha nos limites instrumentais do Hubble. Mas o gás quente, emitindo normalmente no infravermelho, será desviado para o vermelho até a porção de rádio do espectro quando chegar aos nossos olhos. (LARRY MCNISH DO RASC CALGARY CENTER)
Então, em vez de procurar a luz estelar desviada para o vermelho, você deve procurar as assinaturas de poeira quente que é desviada para o vermelho pela expansão do Universo. Você não usaria um observatório óptico/infravermelho próximo como o Hubble, mas sim uma matriz milimétrica/submilimétrica de radiotelescópios.
Bem, o conjunto mais poderoso desse tipo é o ALMA, o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, que contém uma coleção de 66 radiotelescópios projetados para alcançar alta resolução angular e sensibilidade sem precedentes aos detalhes exatamente nesse conjunto crítico de comprimentos de onda. Se você puder encontrar uma fonte de luz fraca e distante que apareça nesses comprimentos de onda e não em outros, terá descoberto um candidato exatamente a esse tipo de elo perdido na formação de galáxias. Pela primeira vez, uma equipe de astrônomos parece ter encontrado ouro exatamente com essa descoberta, por pura sorte, em seu campo de observação .
O Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) é um dos mais poderosos radiotelescópios da Terra. Esses telescópios podem medir assinaturas de comprimento de onda longo de átomos, moléculas e íons que são inacessíveis a telescópios de comprimento de onda mais curto como o Hubble, mas também podem medir detalhes de sistemas protoplanetários e galáxias antigas e fracas que podem ser obscurecidas por comprimentos de onda de luz mais familiares. (ESO/C. MALIN)
Eles fizeram essa descoberta observando galáxias no campo COSMOS, um conjunto de observações de campo profundo onde muitos observatórios diferentes, incluindo o Hubble e o ALMA, coletaram grandes quantidades de dados. A equipe encontrou dois sinais que correspondiam a galáxias cheias de poeira quente e, portanto, rápidas quantidades de formação estelar. Uma delas correspondia a uma galáxia comum do tipo tardio, mas a outra correspondia a nenhuma galáxia conhecida.
Quando todas as observações desta nova candidata a galáxia foram combinadas, os astrônomos que a estudaram determinaram que era:
- muito massivo, com quase 100 bilhões de massas solares de estrelas e ainda mais em gás neutro,
- uma taxa de formação estelar de 300 novas massas solares de estrelas a cada ano (centenas de vezes o que encontramos na Via Láctea),
- extremamente altamente obscurecido, como se estivesse envolto em poeira bloqueadora de luz,
- e incrivelmente distante, com sua luz chegando até nós apenas 1,3 bilhão de anos após o Big Bang.
Olhando para trás através do tempo cósmico no Hubble Ultra Deep Field, o ALMA detectou a presença de gás monóxido de carbono. Isso permitiu que os astrônomos criassem uma imagem 3-D do potencial de formação de estrelas do cosmos. Galáxias ricas em gás são mostradas em laranja. Você pode ver claramente, com base nesta imagem, como o ALMA pode detectar características em galáxias que o Hubble não consegue, e como as galáxias que podem ser totalmente invisíveis para o Hubble podem ser vistas pelo ALMA. (R. DECARLI (MPIA); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO))
Os autores do estudo expressaram extrema empolgação de que esta galáxia - que aparece em uma área de pesquisa de apenas 8 minutos de arco quadrados (seriam 18 milhões dessas regiões para cobrir o céu) - possa ser um protótipo para as galáxias de elo perdido necessárias para explicar como o Universo cresceu. De acordo com a autora do estudo Kate Whitaker ,
Essas galáxias escondidas são realmente intrigantes; isso faz você se perguntar se isso é apenas a ponta do iceberg, com um tipo totalmente novo de população de galáxias esperando para ser descoberto.
Enquanto outras grandes galáxias, incluindo galáxias formadoras de estrelas, já haviam sido vistas antes, nenhuma delas tinha taxas de formação de estrelas grandes o suficiente para explicar como as galáxias do Universo cresceram tão rápido. Mas esta galáxia muda tudo isso, segundo a primeira autora Christina Williams, que observou ,
Nossa galáxia de monstros ocultos tem precisamente os ingredientes certos para ser esse elo perdido, porque eles provavelmente são muito mais comuns.
Telescópios ópticos como o Hubble são extraordinários em revelar luz óptica, mas a expansão do Universo desvia para o vermelho grande parte da luz de galáxias distantes para fora da visão do Hubble. Observatórios infravermelhos e de comprimentos de onda mais longos, como o ALMA, podem captar os objetos distantes que estão muito desviados para o vermelho para o Hubble ver. No futuro, James Webb e ALMA, combinados, podem revelar detalhes dessas galáxias distantes que nem hoje podemos imaginar. (ALMA / HUBBLE / NRAO / NSF / AUI)
Até agora, os cientistas esperavam que o Telescópio Espacial James Webb – o observatório infravermelho baseado no espaço da próxima geração da humanidade – espiasse através da poeira que bloqueia a luz e resolvesse o mistério de como nosso Universo cresceu. Embora Webb certamente nos ensine mais sobre essas primeiras galáxias em crescimento e revele detalhes que permanecem invisíveis, aprendemos que esses monstros obscuros realmente existem e podem ser o elo perdido no crescimento e evolução das galáxias.
Ou tivemos muita sorte em encontrar um tipo muito raro de galáxia em uma região tão pequena do espaço, ou essa nova descoberta é um indicador de que esses gigantes realmente estão em toda parte. Por agora, esta nova descoberta deve deixar-nos todos esperançosos de que o ALMA continuará a encontrar mais destas galáxias, e que quando James Webb estiver online, mais uma peça do puzzle cósmico poderá encaixar-se perfeitamente.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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