Galáxias primordiais gigantes descobertas a “nadar” em vasto oceano de matéria escura

Os astrónomos esperam que as primeiras galáxias, aquelas que se formaram apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, partilhem muitas semelhanças com algumas das galáxias anãs que vemos no Universo próximo.

Esses primeiros aglomerados de alguns milhares de milhões de estrelas tornar-se-iam nos blocos de construção das galáxias maiores que passaram a dominar o Universo nos primeiros milhares de milhões de anos.

No entanto, observações em progresso com o ALMA, Atacama Large Millimeter / submillimeter Array, descobriram exemplos surpreendentes de galáxias massivas e repletas de estrelas vistas quando o Cosmos tinha menos de mil milhões de anos.

Isto sugere que os blocos de construção galáctica mais pequenos foram capazes de se aglomerar em galáxias maiores com bastante rapidez.

As observações ALMA mais recentes empurram esta época de formação de galáxias massivas para ainda mais cedo, identificando duas galáxias gigantes vistas quando o Universo tinha apenas 780 milhões de anos, ou cerca de 5% da sua idade atual.

O ALMA também revelou que estas galáxias invulgarmente grandes estão aninhadas dentro de uma estrutura cósmica ainda mais massiva, um halo de matéria escura com uma massa equivalente a vários biliões de sóis.

As duas galáxias estão tão próximas uma da outra – uma distância inferior à distância que separa a Terra do centro da nossa Galáxia – que em breve vão fundir-se para formar a maior galáxia já observada nesse período da história cósmica.

Esta descoberta, que foi publicada esta quarta-feira na revista Nature, fornece novos detalhes sobre a origem das galáxias grandes e o papel que a matéria escura desempenha na produção das maiores estruturas do Universo.

“Com estas incríveis observações do ALMA, os astrónomos estão a observar a galáxia mais massiva conhecida nos primeiros mil milhões de anos do Universo e no processo de formação,” afirma Dan Marrone, professor associado de astronomia na Universidade do Arizona em Tucson, EUA, autor principal do artigo científico.

Os astrónomos estão a observar estas galáxias durante um período da história cósmica conhecido como a Época da Reionização, quando a maior parte do espaço intergaláctico estava coberto por um nevoeiro obscuro de hidrogénio gasoso e frio. Desta época, também foi encontrado recentemente o quasar mais antigo e distante descoberto até agora.

À medida que mais estrelas e galáxias se formavam, a sua energia eventualmente ionizou o hidrogénio entre as galáxias, revelando o Universo com o vemos hoje.

“Nós costumamos vê-la como a época em que galáxias pequenas trabalharam arduamente para ‘mastigar’ o meio intergaláctico neutro,” comenta Marrone. “No entanto, a recolha de evidências observacionais com o ALMA ajudou a remodelar a história, e continua a empurrar o tempo em que as galáxias verdadeiramente grandes surgiram no Universo.”

As galáxias que Marrone e equipa estudaram, conhecidas coletivamente como SPT0311-58, foram originalmente identificadas como uma única fonte pelo Telescópio do Polo Sul do NSF (National Science Foundation).

Estas primeiras observações indicavam que o objeto estava muito distante e brilhava intensamente no infravermelho, o que significava que era extremamente poeirento e provavelmente passava por um surto de formação estelar. Observações subsequentes com o ALMA revelaram a distância e a natureza dupla do objeto, resolvendo claramente o par de galáxias em interação.

Para fazer esta observação, o ALMA teve a ajuda de uma lente gravitacional, que lhe forneceu um impulso de observação. As lentes gravitacionais formam-se quando um objeto massivo interveniente, como uma galáxia ou um enxame galáctico, curva a luz de galáxias ainda mais distantes.

No entanto, distorcem a aparência do objeto de estudo, exigindo modelos de computador sofisticados para reconstruir a imagem como pareceria no seu estado inalterado.

Este processo de “deconvolução” forneceu detalhes intrigantes sobre as galáxias, mostrando que a maior das duas está a formar estrelas a um ritmo de 2900 massas solares por ano. Também contém cerca de 270 mil milhões de vezes a massa do Sol em gás e quase 3 mil milhões de vezes a massa do Sol em poeira.

“É uma quantidade enorme de poeira, tendo em conta a idade jovem do sistema,” comenta Justin Spilker, formado recentemente na Universidade do Arizona e agora pós-doutorado na Universidade do Texas em Austin.

Os astrónomos determinaram que a rápida formação estelar desta galáxia foi provavelmente despoletada por um encontro próximo com a sua companheira ligeiramente mais pequena, que já contém aproximadamente 35 mil milhões de massas solares em conteúdo estelar e está aumentando a sua taxa de formação de estrelas a um ritmo vertiginoso de 540 massas solares por ano.

Os investigadores observam que as galáxias desta época são mais “desarrumadas” do que as que vemos no Universo próximo. As suas formas mais desorganizadas seriam devidas aos vastos reservatórios de gás que “chove” sobre elas e às interações e fusões contínuas com as vizinhas.

As novas observações também permitiram com que os investigadores inferissem a presença de um halo verdadeiramente massivo de matéria escura em redor de ambas as galáxias. A matéria escura fornece a atração gravitacional que faz com que o Universo colapse em estruturas (galáxias, grupos e enxames de galáxias, etc.).

“Se nós queremos ver se uma galáxia faz sentido na nossa compreensão atual da cosmologia, temos que estudar o halo de matéria escura – a estrutura de matéria escura colapsada – na qual reside,” acrescenta Chris Hayward, cientista associado ao Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron em Nova Iorque.

“Felizmente, sabemos muito bem a relação entre a matéria escura e a matéria normal no Universo, de modo que podemos estimar a massa do halo de matéria escura.”

Através da comparação dos seus cálculos com as previsões cosmológicas atuais, os investigadores descobriram que esse halo é um dos maiores que deverá ter existido naquela altura.

“Existem mais galáxias descobertas com o Telescópio do Polo Sul que estamos a acompanhar, e existem muitos mais dados de levantamento que estamos apenas a começar a analisar”, realça Joaquin Vieira, da Universidade do Illinois em Urbana-Campaign.

“A nossa esperança é encontrar mais objetos como este, possivelmente ainda mais distantes, para melhor entender esta população de galáxias extremamente empoeiradas e, especialmente, a sua relação com a população em massa de galáxias nesta época”, acrescenta.

“Em todo o caso, a nossa próxima ronda de observações ALMA deverá ajudar-nos a entender quão rapidamente estas galáxias se juntaram e melhorar a nossa compreensão da formação de galáxias massivas durante a reionização,” conclui Marrone.