Galáxias mais antigas se formaram rápido após o Big Bang, colocando em xeque modelos sobre evolução e idade do Universo

O Telescópio Espacial James Webb (JWST) é o maior e mais poderoso telescópio espacial construído até agora. Desde que foi lançado em dezembro de 2021, ele tem proporcionado observações inovadoras. Isso inclui a descoberta das galáxias mais antigas e distantes conhecidas, que existiam apenas 300 milhões de anos após o Big Bang.

Objetos distantes também são muito antigos porque leva muito tempo para que a luz deles chegue aos telescópios. O JWST já encontrou várias dessas galáxias muito antigas. Estamos efetivamente voltando no tempo ao observarmos estes objetos, vendo-os como eram logo após o nascimento do Universo.

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Essas observações do JWST estão de acordo com nosso entendimento atual da Cosmologia - a disciplina científica que visa explicar o Universo - e da formação de galáxias. Mas elas também revelam aspectos que não esperávamos. Muitas dessas primeiras galáxias brilham muito mais do que seria de se esperar, já que se formaram pouco tempo depois do Big Bang.

Acredita-se que as galáxias mais brilhantes tenham mais estrelas e mais massa. Acreditava-se que era necessário muito mais tempo para que esse nível de formação de estrelas ocorresse. Essas galáxias também têm buracos negros em crescimento ativo em seus centros - um sinal de que esses objetos amadureceram rapidamente após o Big Bang. Então, como podemos explicar essas descobertas surpreendentes? Será que elas quebram nossas ideias na Cosmologia ou exigem uma mudança na idade do Universo?

Combinando imagens e espectroscopia

Os cientistas conseguiram estudar essas primeiras galáxias combinando as imagens detalhadas do JWST com seus poderosos recursos de espectroscopia. A espectroscopia é um método para interpretar a radiação eletromagnética emitida ou absorvida por objetos no espaço. Isso, por sua vez, pode informar sobre as propriedades do objeto.

Nosso entendimento da Cosmologia e da formação de galáxias se baseia em algumas ideias fundamentais. Uma delas é o princípio cosmológico, que afirma que, em grande escala, o Universo é homogêneo (o mesmo em todos os lugares) e isotrópico (o mesmo em todas as direções). Combinado com a Teoria da Relatividade Geral de Einstein, esse princípio nos permite conectar a evolução do Universo - como ele se expande ou se contrai - ao seu conteúdo de energia e massa.

O modelo cosmológico padrão, conhecido como a teoria do "Big Bang Quente", inclui três componentes ou ingredientes principais. Um deles é a matéria comum que podemos ver com nossos olhos em galáxias, estrelas e planetas. Um segundo ingrediente é a matéria escura fria (CDM, na sigla em inglês), partículas de matéria de movimentação lenta que não emitem, absorvem ou refletem a luz.

O terceiro componente é o que é conhecido como constante cosmológica (Λ, ou lambda). Ela está ligada a algo chamado energia escura e é uma forma de explicar o fato de que a expansão do Universo está acelerando. Juntos, esses componentes formam o que é chamado de modelo ΛCDM da Cosmologia.

A energia escura compõe cerca de 68% do conteúdo total de energia do Universo atual.

Apesar de não ser diretamente observável com instrumentos científicos, acredita-se que a matéria escura compõe a maior parte da matéria do Cosmos e compreende cerca de 27% do conteúdo total de massa e energia do Universo.

Embora a matéria escura e a energia escura permaneçam misteriosas, o modelo ΛCDM de Cosmologia é apoiado por uma ampla gama de observações detalhadas. Essas observações incluem a medição da expansão do Universo, a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, ou CMB (o "brilho residual" ou "eco" do Big Bang) e o desenvolvimento de galáxias e sua distribuição em larga escala - por exemplo, a maneira como as galáxias se agrupam.

O modelo ΛCDM estabelece a base para nossa compreensão de como as galáxias se formam e evoluem. Por exemplo, a CMB, que foi emitida cerca de 380.000 anos após o Big Bang, fornece um instantâneo das flutuações iniciais de densidade que ocorreram no Universo primitivo. Essas flutuações, particularmente na matéria escura, acabaram se desenvolvendo nas estruturas que observamos hoje, como galáxias e estrelas.

Como as estrelas se formam

A formação de galáxias consiste em processos complexos influenciados por vários fenômenos físicos diferentes. Alguns desses mecanismos não são totalmente compreendidos, como, por exemplo, quais processos governam a forma como o gás nas galáxias se resfria e se condensa para formar estrelas.

Os efeitos de supernovas, ventos estelares e buracos negros que emitem quantidades significativas de energia (às vezes chamados de núcleos galácticos ativos, ou AGN) podem aquecer ou expulsar gás das galáxias. Isso, por sua vez, pode aumentar ou reduzir a formação de estrelas e, portanto, influenciar o crescimento das galáxias.

A eficiência e a escala desses "processos de feedback", bem como seu impacto cumulativo ao longo do tempo, ainda são pouco compreendidos. Eles são uma fonte significativa de incerteza nos modelos matemáticos, ou simulações, da formação de galáxias.

Nos últimos dez anos, foram feitos avanços significativos em simulações numéricas complexas da formação de galáxias. Ainda é possível obter insights e dicas de simulações e modelos mais simples que relacionam a formação de estrelas à evolução dos halos de matéria escura. Esses halos são estruturas maciças e invisíveis feitas de matéria escura que efetivamente ancoram as galáxias em seu interior.

Um dos modelos mais simples de formação de galáxias pressupõe que a taxa de formação de estrelas em uma galáxia está diretamente ligada ao fluxo de gás que entra nessas galáxias. Esse modelo também propõe que a taxa de formação de estrelas em uma galáxia é proporcional à taxa de crescimento dos halos de matéria escura. Ele pressupõe uma eficiência fixa na conversão de gás em estrelas, independentemente do tempo cósmico.

Esse modelo de "eficiência constante de formação estelar" é consistente com o aumento drástico da formação de estrelas no primeiro bilhão de anos após o Big Bang. O rápido crescimento dos halos de matéria escura durante esse período teria fornecido as condições necessárias para que as galáxias formassem estrelas com eficiência. Apesar de sua simplicidade, esse modelo previu com sucesso uma ampla gama de observações reais, inclusive a taxa geral de formação de estrelas ao longo do tempo cósmico.

Segredos das primeiras galáxias

O JWST deu início a uma nova era de descobertas. Com seus instrumentos avançados, o telescópio espacial pode capturar imagens detalhadas e espectros de alta resolução - gráficos que mostram a intensidade da radiação eletromagnética emitida ou absorvida por objetos no céu. No caso do JWST, esses espectros estão na região do infravermelho próximo do espectro eletromagnético. O estudo dessa região é crucial para a observação das primeiras galáxias cuja luz óptica se transformou em infravermelho próximo (foi "desviada para o vermelho", ou "redshifted" em inglês) à medida que o Universo se expandiu.

O desvio para o vermelho descreve como os comprimentos de onda da luz das galáxias são esticados à medida que viajam. Quanto mais distante uma galáxia estiver, maior será seu desvio para o vermelho.

Nos últimos dois anos, o JWST identificou e caracterizou galáxias em redshifts com valores entre 10 e 15. Essas galáxias, que se formaram cerca de 200 a 500 milhões de anos após o Big Bang, são relativamente pequenas para galáxias (com apenas cerca de 100 parsecs, ou 3 quatrilhões de quilômetros, de diâmetro). Cada uma delas é composta por cerca de 100 milhões de estrelas, e forma novas estrelas a uma taxa de aproximadamente uma estrela semelhante ao Sol por ano.

Embora isso não pareça muito impressionante, implica que esses sistemas dobram seu conteúdo de estrelas em apenas 100 milhões de anos. A título de comparação, a nossa galáxia Via Láctea leva cerca de 25 bilhões de anos para dobrar sua massa estelar.

Formação inicial de galáxias

As surpreendentes descobertas do JWST de galáxias brilhantes em altos redshifts, ou distâncias, podem implicar que essas galáxias amadureceram mais rapidamente do que o esperado após o Big Bang. Isso é importante porque desafiaria os modelos existentes de formação de galáxias. O modelo de eficiência constante de formação de estrelas descrito acima, embora seja eficaz para explicar grande parte do que vemos, não consegue explicar o grande número de galáxias brilhantes e distantes observadas com um redshift de mais de dez.

Para resolver isso, os cientistas estão explorando várias possibilidades. Isso inclui mudanças em suas teorias sobre a eficiência com que o gás é convertido em estrelas ao longo do tempo. Eles também estão reconsiderando a importância relativa dos processos de feedback - como fenômenos como supernovas e buracos negros também ajudam a regular a formação de estrelas.

Algumas teorias sugerem que a formação de estrelas no Universo primitivo pode ter sido mais intensa ou "explosiva" do que se pensava anteriormente, levando ao crescimento rápido dessas galáxias primitivas e seu brilho aparente.

Outros propõem que diferentes fatores, como quantidades menores de poeira galáctica, uma distribuição de massas estelares no topo ou contribuições de fenômenos como buracos negros ativos, poderiam ser responsáveis pelo brilho inesperado dessas primeiras galáxias.

Essas explicações invocam mudanças na física de formação de galáxias para explicar as descobertas do JWST. Mas os cientistas também estão considerando modificações nas teorias cosmológicas mais amplas. Por exemplo, a abundância de galáxias primitivas e brilhantes poderia ser parcialmente explicada por uma mudança em algo chamado espectro de potência da matéria. Essa é uma maneira de descrever as diferenças de densidade no Universo.

Um possível mecanismo para alcançar essa mudança no espectro de potência da matéria é um fenômeno teórico chamado "energia escura inicial". Essa é a ideia de que uma nova fonte de energia cosmológica semelhante à energia escura pode ter existido no início da história do Universo, em um redshift de 3.000. Isso é antes da emissão da CMB e apenas 380 mil anos após o Big Bang.

Essa energia escura primitiva teria decaído rapidamente após o estágio da evolução do Universo conhecido como recombinação. Curiosamente, a energia escura primitiva também poderia aliviar a tensão de Hubble - uma discrepância entre diferentes estimativas da idade do Universo.

Um artigo publicado em 2023 sugeriu que as descobertas de galáxias do JWST exigiam que os cientistas aumentassem a idade do Universo em vários bilhões de anos.

Entretanto, outros fenômenos poderiam explicar as galáxias brilhantes. Antes que as observações do JWST sejam usadas para invocar mudanças nas ideias gerais da Cosmologia, é essencial uma compreensão mais detalhada dos processos físicos nas galáxias.

A atual detentora do registro da galáxia mais distante, identificada pelo JWST, é a chamada JADES-GS-z14-0. Os dados coletados até o momento indicam que essas galáxias têm uma grande diversidade de propriedades diferentes.

Visualização em 3D das galáxias observadas pelo JWST, incluindo a JADES-GS-z14-0.

Algumas galáxias mostram sinais de hospedar buracos negros que estão emitindo energia, enquanto outras parecem ser consistentes com abrigarem populações de estrelas jovens e sem poeira. Como essas galáxias são tênues e sua observação é cara (são necessários tempos de exposição de muitas horas), apenas 20 galáxias para as quais o desvio para o vermelho é superior a dez foram observadas com espectroscopia até o momento, e serão necessários anos para criar uma amostra estatística significativa.

Uma abordagem diferente seria a observação de galáxias em épocas cósmicas posteriores, quando o Universo tinha de 1 bilhão a 2 bilhões de anos (redshifts entre três e nove). Os recursos do JWST dão aos pesquisadores acesso a indicadores cruciais sobre as estrelas e gás nesses objetos que podem ser usados para limitar os parâmetros gerais da formação de galáxias.

Quebrando o Universo?

No primeiro ano de operação do JWST, alegou-se que algumas das primeiras galáxias tinham massas estelares extremamente altas (as massas de estrelas contidas nelas) e que era necessária uma mudança na Cosmologia para acomodar as galáxias brilhantes que existiam no Universo muito antigo. Elas foram até mesmo apelidadas de "galáxias quebradoras do Universo".

Logo depois, ficou claro que essas galáxias não "quebram" o Universo, e suas propriedades podem ser explicadas por uma série de fenômenos diferentes. Dados observacionais melhores mostraram que as distâncias de alguns dos objetos foram superestimadas (o que levou a uma superestimação de suas massas estelares).

A emissão de luz dessas galáxias pode ser alimentada por outras fontes além de estrelas, como buracos negros em acreção. As suposições em modelos ou simulações também podem levar a distorções na massa total de estrelas nessas galáxias.

À medida que o JWST continua sua missão, ele ajudará os cientistas a refinar seus modelos e a responder algumas das perguntas mais fundamentais sobre nossas origens cósmicas. Ele deve revelar ainda mais segredos sobre os primórdios do Universo, incluindo o quebra-cabeça dessas galáxias brilhantes e distantes.

Sandro Tacchella não presta consultoria, trabalha, possui ações ou recebe financiamento de qualquer empresa ou organização que poderia se beneficiar com a publicação deste artigo e não revelou nenhum vínculo relevante além de seu cargo acadêmico.