Wang et al., 2024 / Universidade do Estado da Pensilvânia
Estes objetos ténues e compactos, encontrados em imagens do espaço profundo, são a descoberta mais surpreendente do James Webb.
Astrónomos do Centro de Astrofísica / Harvard & Smithsonian (CfA/HS) propuseram uma nova explicação para algumas das galáxias mais intrigantes do universo primitivo, apelidadas de “pequenos pontos vermelhos” (LRDs).
Num novo estudo, publicado esta semana na The Astrophysical Journal Letters, os astrónomos Fabio Pacucci e Avi Loeb sugerem que estas galáxias são o resultado de halos de matéria escura que rodam muito lentamente, uma estrutura cósmica extremamente rara.
Estes objetos ténues e compactos, descobertos em imagens do espaço profundo do Telescópio Espacial James Webb (JWST), desafiaram a compreensão dos cientistas sobre como as galáxias e os buracos negros se formaram no universo primitivo.
O novo artigo oferece agora uma explicação física para as propriedades distintivas destes pontos.
“Os pequenos pontos vermelhos são galáxias distantes muito compactas e vermelhas que passaram completamente despercebidas antes do Telescópio Espacial James Webb”, diz Pacucci em comunicado do CfA/HS.
“São indiscutivelmente a descoberta mais surpreendente do JWST até à data. O nosso trabalho mostra que estas poderiam formar-se naturalmente em halos de matéria escura com rotação muito baixa.”
Um enigma no universo primitivo
Estas galáxias são principalmente visíveis quando o Universo tinha apenas cerca de mil milhões de anos, mas provavelmente formaram-se muito mais cedo, durante um período conhecido como o amanhecer cósmico.
Apesar de terem cerca de um décimo do tamanho das galáxias típicas, as observações astronómicas mostram que parecem invulgarmente brilhantes. Os astrónomos acreditam que a sua cor vermelha marcante sugere que estão envoltas em poeira ou cheias de estrelas mais antigas.
Durante anos, os astrónomos debateram se a luz que observamos destes objetos é gerada por estrelas ou por buracos negros supermassivos centrais.
“É um mistério fundamental“, diz Pacucci. “Se contêm buracos negros, esses buracos negros são enormes para galáxias tão pequenas. Mas se só contêm estrelas, as galáxias são demasiado compactas para as conter todas, atingindo densidades estelares centrais que são impensáveis.”
Em vez de se concentrarem no que alimenta os pontos luminosos, Pacucci e Loeb adotaram uma abordagem diferente: examinaram como tais objetos poderiam, antes de mais, formar-se.
Wang et al., 2024 / Universidade do Estado da Pensilvânia
Imagens a cores, compostas a partir de três bandas de filtros NIRCam a bordo do Telescópio Espacial James Webb. São notavelmente compactos em comprimentos de onda vermelhos (o que lhes valeu o termo “pequenos pontos vermelhos”) com alguma evidência de estrutura espacial em comprimentos de onda azuis.
O ciclo de baixa rotação
Os halos de matéria escura são a estrutura invisível e rotativa em torno da qual as galáxias se formam. No seu artigo, os autores mostram que os pontos luminosos se formaram em halos que estão no 1% mais baixo da distribuição de rotação. Por outras palavras, 99% de todos os halos rodam mais rapidamente do que esses.
Estes halos de baixa rotação criariam naturalmente galáxias extremamente compactas. Tal como os baloiços numa feira popular, quanto mais rapidamente o halo roda, mais longe se estendem os baloiços, fazendo com que a galáxia que se forma no seu centro se expanda; da mesma forma, uma rotação lenta mantém o raio dos baloiços menor.
Esta hipótese também explica por que razão os pontos luminosos são relativamente raros: representam apenas 1% da abundância das galáxias típicas, mas são mais comuns do que os quasares, os centros extremamente brilhantes de buracos negros supermassivos que brilham no centro de algumas galáxias.
Além disso, a teoria ajuda a esclarecer por que razão os pontos luminosos são observados apenas durante um breve período de mil milhões de anos no universo primitivo. À medida que o universo evolui, os halos de matéria escura tornam-se maiores e ganham mais momento angular, tornando mais difícil formar galáxias compactas de baixa rotação.
“Os halos de matéria escura são caracterizados pela sua velocidade de rotação: alguns deles rodam muito lentamente, e outros rodam mais rapidamente”, diz Loeb. “Mostrámos que se assumirmos que os pequenos pontos vermelhos estão tipicamente no primeiro percentil da distribuição de rotação dos halos de matéria escura, então explicamos todas as suas propriedades observacionais”.
Ambientes privilegiados para buracos negros
Embora o artigo não resolva se os pequenos pontos vermelhos são alimentados por estrelas ou buracos negros, sugere que são ambientes privilegiados para o crescimento rápido de estrelas ou buracos negros.
“Os halos de baixa rotação tendem a concentrar massa no centro, o que facilita a acreção de matéria por um buraco negro ou a formação rápida de estrelas”, explica Pacucci.
Alguns dos pontos mostram linhas de emissão largas nos seus espectros, que são possíveis sinais de buracos negros ativos, mas carecem da emissão de raios-X tipicamente associada a eles.
Pacucci está a liderar novos programas para compreender melhor a natureza destas fontes astrofísicas peculiares. Por exemplo, encontrar galáxias próximas semelhantes esclarecerá no que evoluem mais longe no espaço.
“O nosso trabalho é um passo para compreender estes objetos misteriosos”, disse. “Podem ajudar-nos a compreender como os primeiros buracos negros se formaram e co-evoluíram com as galáxias no universo primitivo”.
