• Começa com um estrondo

Sim, o JWST pegou um bebê aglomerado de galáxias nascendo!

Descobrir como o Universo cresceu era o maior objetivo científico do JWST. Este aglomerado de proto-galáxia ultra-inicial é uma descoberta incrível.

Principais conclusões

• Com seu grande espelho primário, sua localização distante da Terra, suas temperaturas ultrabaixas e seus instrumentos otimizados para infravermelho, o JWST é a maior 'máquina do tempo' da ciência.
• Já foi visto mais longe no início do Universo, encontrando estrelas e galáxias mais distantes do que qualquer outro observatório da história.
• Pela primeira vez, capturou um aglomerado de galáxias ultradistante e ainda em formação, apenas 650 milhões de anos após o Big Bang. Eis por que é um triunfo para a cosmologia moderna.

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Como o Universo cresceu? Essa pergunta aparentemente simples foi uma que intrigou a humanidade infinitamente por toda a história de nossa civilização: até meados do século XX. Foi nesse ponto que a radiação cósmica de fundo foi descoberta, onde foi rapidamente ligada ao brilho remanescente de longo comprimento de onda previsto pelo Big Bang. Desde então, aprimoramos e refinamos nossa compreensão, determinando a idade do nosso Universo (13,8 bilhões de anos) e do que ele é feito atualmente (uma mistura de energia escura, matéria escura, matéria normal, neutrinos e fótons).

Esse conhecimento é suficiente para nos dar um conjunto de expectativas: como e quando pensamos que o Universo deveria ter formado estrelas, galáxias e até grupos e aglomerados de galáxias, abrindo caminho para que nossa moderna teia cósmica tomasse forma. Mas as especificidades principais – precisamente a rapidez com que o Universo cresceu em escalas estelares, galácticas e supergalácticas – permaneceram fora do alcance de nossos maiores observatórios anteriores, como o Hubble.

Mas o JWST está mudando esse aspecto da história, respondendo a essas perguntas pela primeira vez. Com sua última descoberta , foi encontrado o primeiro aglomerado de protogaláxias já descoberto , apenas 650 milhões de anos após o Big Bang. Aqui está o que ela nos ensina.

As galáxias que compõem o Aglomerado de Pandora, Abell 2744, estão presentes dentro dos três componentes separados do aglomerado, facilmente identificáveis ​​visualmente, enquanto as fontes de fundo restantes estão espalhadas por todo o Universo, incluindo muitas dos primeiros ~ 1 bilhão de anos da história cósmica. Este campo de visão é agora conhecido por conter muitas das primeiras galáxias já encontradas, bem como o mais jovem proto-aglomerado de galáxias já descoberto até hoje: apenas 650 milhões de anos após o Big Bang.

Em teoria, há uma hierarquia de como as coisas crescem no Universo. Nos estágios iniciais do Big Bang quente, o Universo era quase perfeitamente uniforme: toda a matéria e energia estava distribuída uniformemente pelo espaço, com minúsculas flutuações de 1 parte em 30.000 sobrepostas a esse fundo uniforme. Essas flutuações foram geradas pela inflação cósmica, que precedeu e estabeleceu o Big Bang, e ocorrem em todas as escalas cósmicas: pequena, intermediária e grande.

Como a matéria e a radiação interagem, e também porque o Universo se expande, as flutuações de menor escala são eliminadas, as escalas intermediárias experimentam picos e vales se as flutuações de densidade são aumentadas ou suprimidas, e as maiores escalas cósmicas não são afetadas. . Essas informações são codificadas no brilho restante do Big Bang: o fundo cósmico de micro-ondas, onde são observáveis ​​até hoje.

Então, uma vez que os átomos neutros se formam, as regiões superdensas começam a crescer gravitacionalmente, enquanto as regiões subdensas cedem sua matéria e energia para seus arredores mais densos. Mas o crescimento gravitacional, apesar do fato de que a gravitação é uma força de alcance infinito, não ocorre igualmente em todo o Universo.

Este trecho de uma simulação de formação de estrutura, com a expansão do Universo ampliada, representa bilhões de anos de crescimento gravitacional em um Universo rico em matéria escura. Observe que os filamentos e aglomerados ricos, que se formam na interseção dos filamentos, surgem principalmente devido à matéria escura; a matéria normal desempenha apenas um papel secundário. Observe também que a estrutura de menor escala, como galáxias individuais, se forma antes da estrutura de maior escala (ou seja, aglomerado de galáxias).

A chave é lembrar disso: a gravidade, como todos os sinais do Universo, não chega a todos os lugares instantaneamente, mas é limitada pela velocidade da luz. Se você tiver uma região superdensa localizada em um ponto do espaço, ela pode atrair matéria próxima em um determinado período de tempo, mas a matéria dez vezes mais distante exigirá pelo menos dez vezes mais tempo (provavelmente mais, dado que o Universo está se expandindo) para sentir a atração gravitacional do mesmo objeto. Quanto maior e mais grandiosa for uma escala cósmica - de aglomerados de estrelas a galáxias, a grupos e aglomerados de galáxias e além - mais tempo será necessário para que a atração gravitacional se inicie.

Então, uma vez que uma região de maior escala começa a sentir os efeitos da atração gravitacional, vários eventos precisam ocorrer antes que uma estrutura ligada se forme, os quais requerem tempo.

• A matéria que recua precisa desacelerar à medida que se afasta do centro da sobredensidade gravitacional.
• A região superdensa precisa crescer até uma massa crítica – cerca de 68% acima da densidade média – para desencadear o colapso gravitacional.
• Então, a estrutura de maior escala precisa parar em sua recessão, inverter a direção e começar a desmoronar.

E, finalmente, o que acabaremos com um objeto vinculado: com subcomponentes que fazem parte de alguma estrutura maior, vinculada e de grande escala.

Esta imagem composta de raios-X/infravermelho mostra o aglomerado de galáxias CL J1001+0220, o mais antigo aglomerado de galáxias maduro e emissor de raios-X conhecido. Embora este tenha sido o primeiro aglomerado de galáxias conhecido de qualquer tipo em 2016, vários proto-aglomerados mais jovens foram identificados desde então.

Na extremidade menor da escala cósmica, nuvens moleculares de gás, poeira, átomos e matéria escura tornam-se as primeiras estruturas a entrar em colapso, eventualmente levando às primeiras estrelas e aglomerados estelares. Embora possa levar cerca de 200 a 250 milhões de anos para que a mais comum dessas regiões superdensas entre em colapso, as primeiras a fazê-lo (ou seja, aquelas com as maiores condições inicialmente superdensas) podem ser capazes de fazê-lo em apenas 50 a 100 milhões de anos. À medida que as estrelas se formam, elas emitem radiação e ventos, e isso cria ambientes insondavelmente complicados, levando a grandes dificuldades em prever qualquer tipo de especificidade sobre essas estruturas iniciais.

À medida que esses aglomerados iniciais de matéria atraem cada vez mais matéria para eles, eles também se encontram e se fundem, construindo as primeiras galáxias massivas dentro do Universo. No os limites do que o JWST viu até agora , descobrimos galáxias ricamente evoluídas em cerca de 320 milhões de anos após o Big Bang, com muitas dessas primeiras sendo massivas, ricas em elementos pesados ​​e com grandes quantidades de formação estelar contínua. Esperava-se que o JWST descobrisse esses objetos, e ainda temos todos os motivos para esperar que populações de estrelas absolutamente imaculadas, bem como galáxias ainda mais antigas, sejam reveladas pelas capacidades do JWST.

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.

Mas na extremidade maior da escala cósmica, essa “física confusa” não desempenha muito papel. Considerando que, na escala de galáxias individuais, deve-se lidar com:

• formação estelar contínua,
• ventos e radiação de estrelas massivas,
• mortes estelares e cataclismos,
• resfriamento e queda de gás e outras matérias baseadas em átomos,
• fusões e incorporações,
• ionizacao,
• e a interação da matéria escura com a matéria normal,

esses fatores desempenham apenas um papel extremamente menor quando se trata da formação de aglomerados de galáxias.

Em vez disso, a formação de grupos galácticos e aglomerados de galáxias depende em grande parte apenas de três fatores, todos bem conhecidos.

1. A expansão do Universo, que é totalmente determinada em todos os tempos cósmicos, uma vez que conhecemos o conteúdo do que realmente existe no Universo.
2. A magnitude da sobredensidade inicial na escala cósmica relevante, que nos permite calcular a taxa de crescimento gravitacional de qualquer um desses objetos.
3. E como esse crescimento gravitacional ocorre ao longo do tempo, incluindo a interação relevante de várias escalas cósmicas.

Todas as coisas confusas que ocorrem dentro de uma galáxia individual – às vezes chamadas depreciativamente de “gastrofísica” – têm um efeito insignificante na formação e crescimento de aglomerados de galáxias; só a gravidade importa.

O Aglomerado Coma de galáxias, visto com uma combinação de espaço moderno e telescópios terrestres. Os dados infravermelhos vêm do telescópio espacial Spitzer, enquanto os dados terrestres vêm do Sloan Digital Sky Survey. O Aglomerado Coma é dominado por duas galáxias elípticas gigantes, com mais de 1000 outras espirais e elípticas dentro. A velocidade das galáxias individuais dentro do Aglomerado Coma é muito grande para o aglomerado permanecer uma entidade vinculada com base apenas em seu conteúdo normal de matéria. Somente a menos que uma quantidade substancial de matéria adicional, ou seja, uma fonte de matéria escura, exista em todo esse aglomerado, ele pode permanecer um objeto vinculado às leis da Relatividade Geral de Einstein. A massa total do aglomerado chega a alguns quatrilhões de massas solares.

Antes do JWST, tínhamos várias maneiras de revelar esses aglomerados de galáxias ao longo da história cósmica. A mais simples e direta era simplesmente identificar um grande número de galáxias que existiam dentro do mesmo campo de visão, em redshifts/distâncias idênticas entre si, mas com uma dispersão de velocidade significativa: onde as galáxias dentro do aglomerado se moviam a velocidades de vários centenas ou mesmo alguns milhares de km/s em relação um ao outro. Aglomerados de galáxias próximos, como Coma e Virgem, foram fáceis de identificar dessa maneira.

Aglomerados de galáxias que sofrem aquecimento, como a colisão de nuvens de gás em movimento rápido ou eventos intensos de formação de estrelas, emitem raios-X em todo o meio intergaláctico dentro do aglomerado, deixando uma assinatura de identificação se os sondarmos nos comprimentos de onda corretos de luz. Esses aglomerados emissores de raios-X não são apenas maneiras de identificar aglomerados, mas também fornecem informações vitais sobre suas massas, conteúdo de gás e históricos de fusão.

E, finalmente, os aglomerados de galáxias também foram revelados através dos efeitos coletivos de sua gravidade: através do fenômeno de lente gravitacional forte e fraca. Por ser a quantidade cumulativa de massa que existe ao longo de uma determinada linha de visão, um aglomerado massivo de galáxias será distinguível de um conjunto de galáxias não agrupadas por causa dos recursos de lente devido à matéria intraaglomerado: a massa dentro do aglomerado que está entre o galáxias individuais.

Um aglomerado de galáxias pode ter sua massa reconstruída a partir dos dados de lentes gravitacionais disponíveis. A maior parte da massa não é encontrada dentro das galáxias individuais, mostradas como picos aqui, mas no meio intergaláctico dentro do aglomerado, onde parece residir a matéria escura. Simulações e observações mais granulares também podem revelar a subestrutura da matéria escura, com os dados concordando fortemente com as previsões da matéria escura fria.

O aglomerado de galáxias maduro mais antigo está relativamente perto: CL J1001+0220, que foi descoberto por meio de suas emissões de raios-X e cuja luz chega até nós apenas 2,7 bilhões de anos após o Big Bang. Com 17 galáxias identificáveis ​​dentro dela, mais da metade das quais são galáxias starburst (ou seja, formando estrelas em uma grande explosão que abrange toda a galáxia). Mas os aglomerados de galáxias não nascem como objetos “maduros”, mas evoluem de um estado não formado para uma fase de proto-aglomerado. Portanto, se quisermos encontrar os primeiros desses objetos, teremos que procurar protoaglomerados de galáxias: coleções que ainda não aqueceram seu gás para emitir raios-X.

Pouco antes da era JWST, uma pesquisa de 2019 usando nossos principais observatórios terrestres como Subaru, Keck e Gemini, revelamos duas coleções muito distantes de várias galáxias no início do Universo: uma consistindo de 44 galáxias com um desvio para o vermelho de 5,7 (correspondente a uma idade de 1 bilhão de anos após o Grande Bang) e outro composto por 12 galáxias com um desvio para o vermelho de 6,6, ou uma idade de apenas 800 milhões de anos após o Big Bang. Esses protoaglomerados foram os primeiros exemplos de coleções de galáxias que ocuparam uma vizinhança semelhante no espaço, com suas velocidades e massas indicando que elas estão definitivamente passando pelo processo de se tornarem ligadas gravitacionalmente e podem já ter cruzado esse limiar.

Este protoaglomerado de galáxias, conhecido como z66OD, contém 12 galáxias independentes, todas no mesmo desvio para o vermelho. Antes do JWST, este proto-aglomerado, encontrado apenas 800 milhões de anos após o Big Bang, era a primeira coleção de galáxias na mesma região do espaço já conhecida. O sombreamento azul mostra a extensão estimada do protoaglomerado.

Com a incrível visão cósmica do JWST, esperávamos que algum dia quebrássemos esse recorde cósmico, empurrando o primeiro aglomerado conhecido para tempos sem precedentes. No entanto, também era esperado que isso levasse algum tempo, já que a identificação robusta de aglomerados de galáxias normalmente requer dois conjuntos de observações para coexistir. Primeiro, você precisa de um levantamento fotométrico de campo amplo, capaz de cobrir uma área grande o suficiente para que os candidatos a aglomerados de galáxias – ou seja, galáxias cujas cores sejam consistentes com todas elas muito distantes e à mesma distância – possam ser identificados.

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E então, você precisa da capacidade de realizar acompanhamentos espectroscópicos nessas candidatas a galáxias, determinando quais são galáxias verdadeiras e quais são suas distâncias cósmicas/redshift reais. As duas únicas propostas dentro do primeiro ano de operações científicas do JWST - nas quais ainda estamos em abril de 2023, a propósito - são PANORÂMICO e COSMOS-Web , nenhum dos quais divulgou suas descobertas ainda.

No entanto, três outras pesquisas do primeiro ano que cobriram áreas menores:

• JADES : o JWST Advanced Deep Extragalactic Survey,
• VIDRO , que observou o aglomerado de galáxias Abell 2744 com lentes profundas,
• e CEERS , a Pesquisa Científica de Liberação Antecipada da Evolução Cósmica,

já publicaram, com o CEERS encontrando quatro galáxias na mesma área estreita do céu no mesmo desvio para o vermelho distante de 4,9, correspondente a um proto-cluster apenas 1,2 bilhão de anos após o Big Bang.

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. Ele também contém quatro galáxias próximas separadas em um desvio para o vermelho confirmado de 4,9, indicando um proto-aglomerado de galáxias apenas 1,2 bilhão de anos após o Big Bang.

Mas dentro do campo GLASS, onde você tem os efeitos adicionais de um aglomerado de galáxias em primeiro plano (Abell 2744), o potencial para ir ainda mais fundo é abundante. Quis a sorte - e, até onde sabemos, é apenas sorte - sete galáxias independentes foram encontradas na mesma região e foram confirmados espectroscopicamente estar no mesmo desvio para o vermelho, 7,88, que corresponde a um tempo apenas 650 milhões de anos após o Big Bang: o primeiro protoaglomerado de galáxias já identificado. O nome do cluster, pelo menos por enquanto, é bastante complicado: A2744z7p9OD , porque:

• foi descoberto no campo de lentes de Abell 2744 (A2744),
• em um desvio para o vermelho de 7,88 (que arredonda para 7,9 e, portanto, a parte “z7p9” do nome),
• e onde seu desvio para o vermelho foi confirmado através da detecção de oxigênio duplamente ionizado em cada uma das sete galáxias membros (deixando ambíguo se a parte “OD” é para “detecção de oxigênio” ou porque este protoaglomerado representa uma “sobredensidade”).

Este aglomerado de galáxias foi previamente fotografado com o Telescópio Espacial Hubble, que revelou cerca de 130 vezes o número “médio” de galáxias dentro de uma região muito pequena do espaço, que inclui este proto-aglomerado agora identificado. No entanto, o candidato a galáxia mais atraente do estudo do Hubble foi chamado de YD4, que agora (com espectroscopia) tem um desvio para o vermelho de 8,38, o que significa que é não uma parte deste proto-aglomerado, mas sim um objeto de fundo ainda mais distante. Das oito galáxias destacadas na imagem inserida (abaixo), é a única que não é um membro do aglomerado.

As galáxias que são membros do protoaglomerado identificado A2744z7p9OD são mostradas aqui, delineadas no topo de suas posições na visualização JWST do aglomerado de galáxias Abell 2744. Com apenas 650 milhões de anos após o Big Bang, é o protoaglomerado de galáxias mais antigo já identificado .

Este estudo não apenas revela o proto-aglomerado de galáxias conhecido mais distante em todo o Universo até o momento, mas também destaca como é extremamente importante observar e confirmar espectroscopicamente todos os candidatos a galáxias distantes que suspeitamos que pertencerão a um único objeto. O estudo anterior do Hubble sugeriu um proto-aglomerado muito maior e mais expansivo do que realmente existe: existem “apenas” cerca de ~24 vezes o número de galáxias neste aglomerado, não as ~130 estimadas anteriormente. Algumas das galáxias encontradas não estavam associadas ao protoaglomerado, mas estavam localizadas em outro lugar ao longo da linha de visão. Além disso, algumas galáxias candidatas permanecem sem espectros, destacando a importância de observá-las.

Os autores também tentativa de estimar a dispersão de massa e velocidade (ou seja, quão rápido as galáxias estão se movendo em relação umas às outras) dentro deste proto-aglomerado e encontrou algo notável. A massa total das sete galáxias membros, combinadas, é de cerca de 400 milhões de Sóis: quase a massa da Via Láctea moderna, e isso estabelece um limite inferior para a massa do protoaglomerado. Até hoje, deveria ter crescido pelo menos 5.000 vezes essa quantidade, ou a massa do moderno Coma Cluster. E a dispersão de velocidade estimada, de ~1100 km/s, embora altamente incerta, parece notavelmente consistente com aglomerados de galáxias de alta massa conhecidos.

Esta imagem mostra a visão do instrumento NIRCam do JWST enquanto observava o aglomerado de galáxias Abell 2744 e revelou várias galáxias que são membros de um proto-aglomerado. Os quadrados vermelhos mostram várias das galáxias para as quais as medidas espectroscópicas foram obtidas; os círculos laranja são candidatos a galáxias fotométricas que ainda podem fazer parte deste aglomerado.

Pela primeira vez, não estamos apenas adivinhando, mas na verdade vendo como o Universo cresceu. Graças às incríveis capacidades do JWST e ao notável trabalho dos cientistas adquirindo e analisando dados do Universo distante, estamos construindo uma imagem mais completa, abrangente e precisa de como nosso Universo passou de um pequeno, sem estrelas, quase -estado perfeitamente uniforme ao nosso tremendo cosmos rico em galáxias de hoje.

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