Webb resolveu um dos mistérios mais intrigantes da astronomia — a razão pela qual os astrónomos detetam luz de átomos de hidrogénio que deveria ter sido totalmente bloqueada pelo gás pristino que se formou após o Big Bang.
Um dos principais objetivos do Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA é estudar o Universo primitivo. Agora, a resolução e sensibilidade inigualáveis do instrumento NIRCam do Webb revelaram, pela primeira vez, o que existe no ambiente local das galáxias no início do Universo, de acordo com estudo publicado na revista Nature Astronomy.
Isto resolveu um dos mistérios mais intrigantes da astronomia — a razão pela qual os astrónomos detetam luz de átomos de hidrogénio que deveria ter sido totalmente bloqueada pelo gás pristino que se formou após o Big Bang.
Estas novas observações do Webb encontraram pequenos e ténues objetos em torno das próprias galáxias que mostram a “inexplicável” emissão de hidrogénio. Em conjunto com simulações de última geração de galáxias no Universo primitivo, as observações mostraram que a fusão caótica destas galáxias vizinhas é a fonte da emissão de hidrogénio.
A luz viaja a uma velocidade finita (300 mil quilómetros por segundo), o que significa que quanto mais longe estiver uma galáxia, mais tempo a sua luz demora a chegar ao nosso Sistema Solar. Consequentemente, as observações das galáxias mais distantes não só permitem sondar os confins do Universo, como também nos permitem estudar o Universo tal como este era no passado.
Para estudar o Universo primitivo, os astrónomos necessitam de telescópios excecionalmente potentes, capazes de observar galáxias muito distantes — e, portanto, muito ténues. Uma das principais capacidades do Webb é a de observar essas galáxias muito distantes e, portanto, de sondar a história do Universo inicial.
Uma equipa internacional de astrónomos deu um excelente uso a este espantoso talento do Webb para resolver um mistério de longa data na astronomia.
As galáxias mais antigas eram locais de formação estelar vigorosa e ativa e, como tal, eram fontes ricas de um tipo de luz emitida por átomos de hidrogénio chamada emissão Lyman-α. No entanto, durante a época da reionização, uma imensa quantidade de gás hidrogénio neutro rodeava estas áreas de formação estelar ativa (também conhecidas como berçários estelares).
A época da reionização foi uma fase muito precoce da história do Universo que teve lugar após a recombinação — a primeira fase após o Big Bang. Durante a reionização, começaram a formar-se nuvens de gás mais densas, dando origem a estrelas e, eventualmente, a galáxias inteiras, cuja luz reionizou gradualmente o hidrogénio gasoso produzido durante a recombinação.
Além disso, o espaço entre as galáxias era preenchido por uma maior quantidade deste gás neutro do que atualmente é. O gás pode absorver e dispersar muito eficazmente este tipo de emissão de hidrogénio, pelo que os astrónomos há muito que previram que a abundante emissão Lyman-α libertada no Universo primitivo não deveria ser observável hoje.
No entanto, esta teoria nem sempre resistiu ao escrutínio, uma vez que os astrónomos observaram exemplos muito antigos de emissão de hidrogénio. Isto tem representado um mistério: como é que esta emissão de hidrogénio — que deveria ter sido absorvida ou dispersa há muito tempo — está a ser observada? Callum Witten, investigador da Universidade de Cambridge e principal responsável pelo novo estudo, explica:
“Uma das questões mais intrigantes que as observações anteriores apresentavam era a deteção da luz dos átomos de hidrogénio no Universo muito primitivo, que deveria ter sido totalmente bloqueada pelo gás neutro pristino que se formou após o Big Bang. Foram sugeridas, anteriormente, muitas hipóteses para explicar a grande fuga desta emissão ‘inexplicável'”.
A descoberta da equipa foi possível graças à extraordinária combinação de resolução angular e sensibilidade do Webb. As observações com o instrumento NIRCam do Webb foram capazes de resolver galáxias mais pequenas e mais fracas que rodeiam as galáxias brilhantes das quais a emissão “inexplicável” de hidrogénio tinha sido detetada.
Por outras palavras, os arredores destas galáxias parecem ser um local muito mais movimentado do que se pensava, repleto de galáxias pequenas e ténues. Crucialmente, estas galáxias mais pequenas estavam a interagir e a fundir-se umas com as outras, e o Webb revelou que as fusões galácticas desempenham um papel importante na explicação da misteriosa emissão das galáxias mais antigas. Sergio Martin-Alvarez, membro da equipa da Universidade de Stanford, acrescenta:
“Onde o Hubble via apenas uma grande galáxia, o Webb vê um enxame de galáxias mais pequenas em interação, e esta revelação teve um enorme impacto na nossa compreensão da inesperada emissão de hidrogénio de algumas das primeiras galáxias.”
A equipa utilizou então simulações computacionais de última geração para explorar os processos físicos que podem explicar os seus resultados. Descobriram que a rápida acumulação de massa estelar através das fusões de galáxias levou a uma forte emissão de hidrogénio e facilitou a fuga dessa radiação através de canais desobstruídos do abundante gás neutro.
Assim, o elevado ritmo de fusão das galáxias mais pequenas, anteriormente não observadas, forneceu uma solução convincente para o enigma de longa data da “inexplicável” emissão precoce de hidrogénio.
A equipa está a planear observações de acompanhamento com galáxias em várias fases de fusão, de modo a continuar a desenvolver a sua compreensão de como a emissão de hidrogénio é ejetada destes sistemas em mudança. Em última análise, isto permitir-lhes-á melhorar a nossa compreensão da evolução das galáxias.
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