• Começa com um estrondo

Os “candidatos” da galáxia mais distante sobreviveram ao teste final do JWST?

Muitas galáxias realmente são ultra-distantes, mas algumas são apenas intrinsecamente vermelhas ou empoeiradas. Somente com espectroscopia o JWST pode dizer qual é qual.

Principais conclusões

• Quando o JWST tira imagens do Universo distante, ele revela galáxias próximas, distantes e intermediárias.
• Muitas dessas galáxias estarão entre as mais distantes já descobertas, mas sem confirmação espectroscópica, não podemos saber suas distâncias com certeza.
• Apesar de muita especulação de muitos na comunidade, apenas uma análise escrupulosa e adequada de novos dados espectroscópicos pode resolver o problema. Aqui está o que está e o que não está lá fora no que foi observado até agora.

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Quando JWST lançado com sucesso no dia de Natal de 2021, os astrônomos esperavam que ele se desdobrasse e operasse corretamente , o que fez de forma retumbante nos seis meses seguintes. Os astrônomos já esperavam para algumas revoluções científicas surpreendentes imediatamente: incluindo as primeiras e mais distantes galáxias já vistas, um grande número de galáxias com recordes, galáxias em estágios de evolução nunca antes vistos e talvez até mesmo um vislumbre das primeiras estrelas a se formar no Universo. O primeira imagem lançada insinuou muitos deles, e muitos destaques iniciais entregou avanços esperados, bem como várias surpresas inesperadas e fortuitas.

Uma das descobertas que preocupa os astrônomos é o grande número de galáxias grandes e brilhantes que o JWST identificou como candidatas a galáxias ultra-distantes. De fato, apenas em sua primeira imagem divulgada, do aglomerado de galáxias SMACS 0723, um total de 87 candidatas a galáxias ultra-distantes foram identificadas: galáxias potencialmente dos primeiros 500 milhões de anos de nossa história cósmica. Posteriormente, pesquisas de galáxias ainda maiores e mais profundas, incluindo:

• JADES : o JWST Advanced Deep Extragalactic Survey,
• COSMOS-Web , uma pesquisa extragaláctica que é o maior projeto JWST de primeiro ano de todos,
• VIDRO , que observou o aglomerado de galáxias Abell 2744 com lentes profundas,
• e CEERS , a Pesquisa Científica de Liberação Antecipada da Evolução Cósmica,

revelaram uma série de interessantes candidatas a galáxias ultra-distantes. Um deles, o CEERS, tinha uma candidata a galáxia em o que seria um recorde ~ 240 milhões de anos após o Big Bang . Mas ir de “candidato a galáxia” a “galáxia confirmada” requer dados espectroscópicos: dados que estavam ausentes em todos os primeiros lançamentos. Tendo recebido tempo discricionário do cargo de diretor do JWST, a equipe do CEERS, juntamente com uma equipe de Edimburgo , obteve dados espectroscópicos do JWST na sexta-feira, 24 de março de 2023. Após um esforço heróico, eles já têm um papel pronto e disponível . Aqui está o que eles encontraram.

Esta visão lado a lado do aglomerado de galáxias SMACS 0723 mostra as visualizações MIRI (esquerda) e NIRCam (direita) desta região do JWST. Observe que, embora haja um aglomerado de galáxias brilhante no centro da imagem, os objetos mais interessantes são obstruídos por lentes gravitacionais, distorcidos e ampliados pelo próprio aglomerado e estão localizados muito mais distantes do que o próprio aglomerado.

A razão pela qual essas perguntas são importantes

Você pode primeiro perguntar: “o que isso importa? Não deveria haver galáxias tão distantes quanto nossos observatórios são capazes de ver, então um observatório novo e mais sensível (como o JWST) não deveria nos levar de volta aos limites de seus instrumentos?”

É uma ótima ideia, mas a resposta surpreendente é Não . Claro, o JWST pode ver mais longe do que o Hubble ou qualquer telescópio óptico/infravermelho baseado no solo, mas isso ocorre porque ele é muito grande e otimizado para comprimentos de onda longos. Quanto mais longe olharmos, mais o Universo terá se expandido desde o momento em que a luz da galáxia é emitida até o momento em que chega dentro de nossos instrumentos. Mais expansão significa que a luz é desviada para o vermelho de forma mais severa – para comprimentos de onda mais longos – e, portanto, requer observatórios, como o JWST, que são sensíveis a esses comprimentos de onda longos.

Mas olhar para distâncias maiores também significa olhar mais para trás no tempo: mais perto do momento do Big Bang quente. E como o Universo nasceu apenas com minúsculas imperfeições “overdensas” no nível de 1 parte em 30.000, leva um tempo substancial, talvez dezenas ou até centenas de milhões de anos, para que as primeiras estrelas se formem e, sem dúvida, ainda mais para as primeiras galáxias aparecerem e crescerem.

As primeiras estrelas e galáxias que se formam devem ser o lar de estrelas da População III: estrelas feitas apenas dos elementos que se formaram durante o Big Bang quente, que é 99,999999% de hidrogênio e hélio exclusivamente. Tal população nunca foi vista ou confirmada, mas alguns têm esperança de que o Telescópio Espacial James Webb os revele. Enquanto isso, as galáxias mais distantes que vimos são todas muito brilhantes e intrinsecamente azuis, mas não totalmente imaculadas, ainda chegando até nós de várias centenas de milhões de anos após o início do quente Big Bang.

Em outras palavras, quanto mais longe no Universo distante olhamos, temos uma imagem do que esperamos ver.

• Em algum momento, devemos encontrar a primeira e mais antiga galáxia brilhante, grande e luminosa, e devemos ver sua densidade numérica diminuir rapidamente à medida que nos aproximamos desse limite.
• Antes disso, devemos encontrar apenas galáxias menores e menos evoluídas, diminuindo em número e densidade numérica até encontrarmos a primeiríssima entre elas.
• Antes disso, deveríamos ver apenas aglomerados de estrelas individuais e proto-galáxias, e estes deveriam ser extremamente azuis e primitivos, e novamente deveriam existir apenas em baixas densidades numéricas quanto mais longe formos.
• E, finalmente, deve haver realmente um tempo em que as primeiras estrelas e aglomerados estelares de todos apareçam e, além disso, não deve haver nenhuma fonte luminosa para observar, exceto o próprio brilho remanescente do Big Bang.

Quando olhamos para essas profundezas do Universo e examinamos essas galáxias, estamos basicamente perguntando ao Universo: “como você cresceu e se tornou do jeito que é hoje?” Dado que temos um modelo do Universo – uma mistura de matéria escura, matéria normal, energia escura e um pouco de radiação – podemos chegar a previsões do que esperamos ver no Universo a qualquer momento. Observar esses objetos distantes com o JWST, e com suas capacidades espectroscópicas em particular, nos permite testar esse modelo e ver se realmente entendemos o Universo que habitamos ou se (e como) temos que revisar nossa imagem do cosmos .

Antes que um número suficiente de estrelas se forme, os átomos neutros persistem no meio intergaláctico do Universo, onde são notavelmente eficientes em bloquear a luz estelar ultravioleta e visível. Sem confirmação espectroscópica, como temos para GN-z11, mas não para HD1, deve-se ter cuidado ao inferir distâncias com base apenas na fotometria.

O registro cósmico atual

Antes do advento do JWST, o detentor do recorde cósmico foi estabelecido pelo Hubble, extraordinariamente próximo dos limites extremos das capacidades instrumentais mais otimistas do Hubble. Esta galáxia, conhecida como GN-z11, estava em um desvio para o vermelho de 11, correspondendo a uma idade do Universo de aproximadamente 400 milhões de anos. Só pôde ser visto pelo Hubble por três razões combinadas.

1. O Hubble foi reparado várias vezes durante sua vida útil, com a instalação da Câmara Avançada para Levantamentos em 2002 estendendo sua visão mais longe no infravermelho do que suas especificações originais jamais permitiriam.
2. O próprio objeto, GN-z11, foi localizado por acaso ao longo de uma linha de visão que contém muito menos matéria neutra do que a média: evidência de que esta região foi reionizada por uma quantidade maior que a média no início.
3. E fomos capazes de obter um espectro para este objeto, dividindo a luz em seus comprimentos de onda componentes e identificando uma característica chave para determinar exclusivamente sua distância: a característica de quebra de Lyman.

Enquanto cada galáxia tem sua própria “impressão digital” espectral única, que indica quais átomos estão presentes e com qual nível de ionização, cada galáxia é rica em hidrogênio, cada átomo de hidrogênio tem o mesmo conjunto de frequências de emissão e absorção, e a característica mais forte do hidrogênio é sempre Lyman-α: a transição n=2 para n=1 do hidrogênio, do primeiro estado excitado até o estado fundamental. Encontre esse recurso - ou, para galáxias com alto desvio para o vermelho, descubra onde esse recurso é truncado devido à absorção de hidrogênio neutro em primeiro plano, também conhecido como 'ruptura de Lyman' - e você terá sua distância galáctica com certeza.

Os espectros obtidos pelo JADES e o instrumento JWST NIRSpec para as quatro galáxias mais distantes encontradas até agora pelo levantamento JADES. A característica de quebra de Lyman, robustamente identificada aqui para cada uma das quatro galáxias, determina a distância e o desvio para o vermelho além de qualquer dúvida razoável, tornando JADES-GS-z13-0 o atual detentor do recorde cósmico para a galáxia mais distante.

Enquanto o JWST estava sendo comissionado, uma afirmação muito duvidosa foi feita que o Hubble havia avistado outra galáxia mais distante: HD1. Com um desvio para o vermelho de 13, correspondente a uma idade do Universo de apenas 330 milhões de anos, poder estar mais distante, mas havia um problema: não havia espectro para isso. Sem esses dados críticos, ela permanece apenas uma galáxia candidata, em vez de uma galáxia ultradistante confirmada.

Quando o JWST finalmente começou a coletar dados, vários “galáxias candidatas” extremamente sugestivas emergiram , mas seria necessária uma confirmação espectroscópica para ter certeza de propriedades como a distância. Observando o campo JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey), uma série de galáxias foram fotografadas espectroscopicamente, com um novo recordista emergente em um desvio para o vermelho confirmado de 13,2 e uma idade correspondente do Universo de apenas 320 milhões de anos na época. Outras galáxias ultra-distantes foram encontrados pelo JWST, com várias outras galáxias JADES encontrados com menos de 500 milhões de anos, e concorrentes significativos na mesma classe de distâncias .

A galáxia JADES-GS-z13-0 é o nome do atual detentor do recorde, mas é totalmente esperado que, com mais dados, dados mais profundos e maior cobertura do céu, esse recorde seja quebrado em breve e, provavelmente, muitas vezes antes tudo está dito e feito.

Esta imagem rotacionada e anotada da pesquisa JADES, o JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, mostra o novo detentor do recorde cósmico para a galáxia mais distante: JADES-GS-z13-0, cuja luz chega até nós a partir de um desvio para o vermelho de z = 13,2 e uma época em que o Universo tinha apenas 320 milhões de anos. Embora estejamos vendo galáxias mais longe do que nunca, esses recordes provavelmente serão quebrados quando mais lentes gravitacionais fortuitamente alinhadas forem descobertas, bem como quando tempos de observação mais longos forem aproveitados com o JWST.

O problema com as “galáxias candidatas”

O problema é simples: quando você não tem um espectro, tudo o que você tem é a luz que “aparece” ou “não aparece” em uma determinada quantidade em uma determinada faixa de comprimento de onda. Essas faixas de comprimento de onda são normalmente vistas pelos astrônomos olhando para um objeto com um conjunto de filtros fotométricos acima deles, que são bons em identificar quanta luz e energia aparece em cada conjunto de faixas de comprimento de onda.

• Se você tivesse uma galáxia ultradistante, veria quantidades insignificantes de luz abaixo de um determinado limite de comprimento de onda e, em seguida, um salto para “muita luz” acima desse limite de comprimento de onda.
• Mas se você tivesse uma galáxia que fosse apenas “meio distante”, mas intrinsecamente vermelha, ela apresentaria propriedades fotométricas semelhantes.
• E se você tivesse uma galáxia que fosse apenas “meio distante”, mas intrinsecamente muito empoeirada, onde a poeira bloqueia a luz azul com mais eficiência do que a luz vermelha, ela apresentaria propriedades fotométricas semelhantes.

Para saber se você tem uma galáxia verdadeiramente ultradistante ou apenas um impostor com propriedades de cor semelhantes, você precisa de um espectro. Como eu brincando (mas também, não brincando) disse ao astrônomo e usuário prolífico de redshifts fotométricos , Dr. Haojing Yan, “Eu confio em um redshift fotométrico tanto quanto confio em uma foto do Monstro do Lago Ness.” Com toda a seriedade, saber e confirmar a distância de uma galáxia com certeza requer espectroscopia e pelo menos uma identificação espectroscópica da principal característica de quebra de Lyman.

Esta coleção de vários “apontamentos” JWST diferentes da pesquisa fotométrica do CEERS contém a Galáxia de Maisie, uma candidata a galáxia de alto desvio para o vermelho que foi recentemente confirmada espectroscopicamente como z = 11,4, colocando-a apenas 390 milhões de anos após o Big Bang.

Os primeiros candidatos mais interessantes do CEERS

Uma das maiores e mais profundas visões que o JWST obteve do Universo, pelo menos até agora, vem do Colaboração CEERS : a Pesquisa Científica de Liberação Antecipada da Evolução Cósmica. Ao pesquisar uma área muito grande do céu (pelo menos, em relação ao pequeno campo de visão do JWST) de 100 minutos de arco quadrados, o CEERS teve como objetivo observar fotometricamente números extraordinários de galáxias dentro desse campo. A lógica é que este levantamento fotométrico identificaria um número de candidatos a galáxias que podem estar entre as galáxias mais antigas e incomuns do Universo, e então os melhores candidatos poderiam ser acompanhados com as capacidades espectroscópicas do JWST.

Uma das primeiras e mais interessantes galáxias encontradas no campo CEERS foi simplesmente conhecida como “Galáxia de Callum”, desde que foi sinalizada pela primeira vez por uma equipe de autores liderado por Callum Donnan, que teve um desvio para o vermelho fotométrico inferido de impressionantes 16,4, o que seria um evento recorde colossal. Isso corresponderia a esta galáxia chegando até nós apenas 240 milhões de anos após o Big Bang, e uma galáxia tão brilhante e grande tão cedo seria um verdadeiro desafio para muitos aspectos da formação da estrutura.

Outros destaques incluídos galáxia de Maisie , uma galáxia candidata com um redshift fotométrico de 12, bem como uma fonte conhecida como CEERS-DSFG-1 que parecia estar em um desvio para o vermelho de 5, mas que poderia, alternativamente, estar em um desvio para o vermelho muito maior.

Havia também várias galáxias candidatas com desvios para o vermelho de 8, 10 ou até ligeiramente superiores. Mas sem espectroscopia, sabemos que não devemos confiar em nenhum deles. A fotometria é ótima para identificar as propriedades grosseiras de uma galáxia e para encontrar galáxias candidatas, mas nessas grandes distâncias ainda não podemos inferir com precisão suas propriedades espectrais apenas com a fotometria.

Este conjunto de cinco espectros diferentes mostra a galáxia de Maisie no topo, confirmada como tendo um desvio para o vermelho de 11,4 e cuja luz vem de apenas 390 milhões de anos após o Big Bang. Três outras galáxias de alto desvio para o vermelho são mostradas abaixo, com uma quinta galáxia cuja quebra de Lyman pode ser identificada visualmente em cerca de 1,5 mícron, mas que carece de outras características espectrais de confirmação.

Acompanhamento espectroscópico e a verdade científica

Felizmente para todos nós, os telescópios espaciais em geral não atribuem todo o tempo de observação possível às equipes que o desejam, mas deixam um pouco disponível para “alvos de oportunidade”, para onde as observações programadas falham e para seguir -up observações como 'tempo discricionário do diretor.' Um pouco desse tempo discricionário foi concedido em conjunto à equipe CEERS e o grupo de Edimburgo para fazer acompanhamento espectroscópico em seus alvos de maior interesse, e essas observações ocorreram na sexta-feira, 24 de março de 2023.

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Em um esforço tour-de-force sob a arma do 'tempo crítico', as dezenas de membros conseguiu enviar um artigo na noite de segunda-feira, 27 de março : apenas três dias após a chegada dos dados. Os principais resultados são os seguintes:

• A galáxia de Callum (CEERS-93316) é um intruso de baixo redshift, com “apenas” um redshift de 4,9, colocando-o 1,2 bilhão de anos após o Big Bang. É uma galáxia grande, brilhante e rica em elementos com linhas de emissão muito fortes, mas não é do Universo ultradistante.
• CEERS-DSFG-1 também está em um desvio para o vermelho de 4,9, mas não se parece em nada com a galáxia de Callum. Este objeto tem apenas um forte sinal de linha de emissão de luz visível, enquanto a galáxia de Callum também mostrou muitas outras assinaturas elementares. Essas duas primeiras galáxias, que poderiam ter sido grandes surpresas, estão perfeitamente alinhadas com o que esperávamos que existisse no Universo.
• Mas a galáxia de Maisie é realmente uma galáxia ultradistante, medindo um alto desvio para o vermelho de 11,4, situando-a 390 milhões de anos após o Big Bang e deslocando GN-z11 para ocupar o 5º lugar (por enquanto) na lista de todos os tempos das galáxias mais distantes. (Não, HD1 ainda não conta, desculpe wikipedistas.)
• E duas outras galáxias (uma certa e outra com uma sugestiva ruptura de Lyman) entre 400 e 500 milhões de anos após o Big Bang foram encontradas neste campo espectroscopicamente, junto com outras duas de cerca de 600-650 milhões de anos após o Big Bang.

Duas galáxias adicionais também foram encontradas no mesmo desvio para o vermelho de 4,9 nesta mesma região do céu, sugerindo que isso pode fornecer evidências para um aglomerado de galáxias muito antigo: um candidato para o mais antigo já detectado, se for verdade. Isso não “quebra” nossa imagem cosmológica padrão, mas nos mostra que galáxias grandes, brilhantes e evoluídas existiam, e em números significativos, bem no início de nossa história cósmica.

Este resultado mostra os espectros de quatro galáxias diferentes do JWST encontradas na mesma região do céu. Embora essas quatro galáxias tenham um modesto desvio para o vermelho (z = 4,9, ou uma idade do Universo de 1,2 bilhão de anos), elas estão todas co-localizadas, o que pode indicar que fazem parte da mesma estrutura ligada: um jovem grupo ou aglomerado de galáxias, o que poderia torná-lo o mais antigo objeto conhecido, se confirmado.

Um problema ético emergente na astronomia

Infelizmente, a equipe CEERS/grupo de Edimburgo não teve escolha a não ser apressar seus resultados o mais rápido possível. Quando foi tomada a decisão de “divulgar imediatamente todos os dados criados com financiamento público”, imediatamente começou a prejudicar vários cientistas em início de carreira que eram membros das colaborações que receberam o tempo do JWST. Em vez de obter o “primeiro crack” em seus dados, que é como a astronomia tem sido historicamente conduzida, o mundo inteiro pôde ver os dados adquiridos com “tempo discricionário do diretor” ao mesmo tempo em que a colaboração, que lutou com sucesso pela existência desta proposta e aprovação, entendi.

Os membros da equipa do CEERS tiveram de planear as suas observações, tendo em conta o comportamento do telescópio e dos vários instrumentos, como estaria o telescópio a apontar naquela determinada altura do ano, que tipo de dados precisavam de ser recolhidos e quais os métodos mais eficientes caminho para isso seria, etc. Eles tiveram que tomar 100% das decisões que envolvem a criação de um conjunto de dados útil antes que alguém visse esses dados. Mas as pessoas que fazem esse trabalho não recebem crédito apenas por esse trabalho; eles só recebem crédito pelo papel que sai.

Isso era bom quando a colaboração tinha seu “tempo exclusivo”, já que as pessoas que faziam esse trabalho seriam as pessoas que escreveriam esses artigos críticos. Mas, sem nenhum tempo proprietário, pessoas de fora - muitas vezes rivais da colaboração - geralmente conseguem extrair detalhes interessantes dos dados primeiro e podem fazer isso sem creditar ou colaborar com a equipe cujo trabalho literalmente permitiu o seu próprio. É uma prática que prejudica os pesquisadores em início de carreira que optaram por se juntar às grandes colaborações que receberam o tempo do JWST. A razão pela qual muitos pesquisadores em início de carreira são atraídos por essas colaborações é por causa da promessa de que trabalharão em um desses resultados/artigos de alto impacto, que podem ser decisivos na carreira de estudantes de pós-graduação e/ou pós-doutorandos. Sem uma estrutura atual para lidar com a ética da situação, muitos esperam que a comunidade crie uma, garantindo o devido crédito àqueles que realmente fizeram o trabalho para tornar possíveis essas observações e suas descobertas posteriores.

Toda a nossa história cósmica é teoricamente bem compreendida, mas os detalhes dos estágios iniciais, como a forma como as estrelas e as galáxias se formam e crescem durante os primeiros ~ 1 bilhão de anos da história cósmica, estão sendo escritos com precisão pela primeira vez graças a observatórios como o JWST.

O maior impacto que esses resultados devem ter na comunidade não é para o que a equipe CEERS/grupo de Edimburgo encontrou, mas para o que essas descobertas apontam.

• Populações grandes e ricas de galáxias e possivelmente até aglomerados e grupos de galáxias existem em grande número e potencialmente em altas densidades apenas ~ 1 bilhão de anos após o Big Bang, e talvez até antes.
• Existem muitas galáxias brilhantes e evoluídas, ricas em elementos pesados, no início do Universo: apenas 330-650 milhões de anos após o Big Bang. Muitos, e possivelmente a maioria, dos “candidatos a galáxias” identificados fotometricamente nesse intervalo acabarão por estar realmente nessas grandes distâncias cósmicas.
• Muito interessante, essas galáxias que estamos encontrando rotineiramente em grande número com os dados do JWST teriam absolutamente destruído o registro cósmico há 9 meses.
• No entanto, ainda não encontramos galáxias anteriores a ~ 300 milhões de anos no Universo. Eles devem estar lá fora, embora possam ser menores e mais fracos do que as galáxias que visualizamos até agora.
• Estamos vendo como as galáxias crescem durante os estágios iniciais e como elas não estão caindo em categorias limpas e organizadas como “esta é uma galáxia empoeirada e formadora de estrelas” ou “isto é um quasar”, mas sim que eles exibem propriedades híbridas com bastante frequência desde o início.
• E, talvez o mais importante, estamos encontrando essas galáxias CEERS, fotometricamente, com um total de apenas uma hora do tempo de observação do JWST para cada galáxia. Imagine o que podemos encontrar com um verdadeiro campo profundo: onde dias e dias de tempo de observação são dedicados a imaginar um único pedaço do céu.

Estamos apenas começando a encontrar as primeiras estrelas e galáxias do Universo, mas esse era o principal objetivo científico do JWST: descobrir como o Universo cresceu. Essas descobertas mais recentes confirmam e enriquecem nossa imagem padrão do Universo e nos aproximam de uma imagem coesa de toda a nossa história cósmica: do Big Bang até os dias atuais.

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