Pela primeira vez, o Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA observou a assinatura química de grãos de poeira ricos em carbono no redshift – 7 [1], que é aproximadamente equivalente a um bilhão de anos após o nascimento do Universo [2]. Assinaturas observacionais semelhantes foram observadas no Universo muito mais recente, atribuídas a moléculas complexas baseadas em carbono conhecidas como hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs). Não é provável, no entanto, que os PAHs tenham se desenvolvido nos primeiros bilhões de anos do tempo cósmico. Portanto, esta observação sugere a excitante possibilidade do James Webb ter observado uma espécie diferente de molécula baseada em carbono: possivelmente minúsculos grãos semelhantes a grafite ou diamante produzidos pelas primeiras estrelas ou supernovas. Esta observação sugere caminhos interessantes de pesquisa tanto na produção de poeira cósmica quanto nas primeiras populações estelares em nosso Universo, e foi possível graças à sensibilidade sem precedentes do James Webb.
Os espaços aparentemente vazios em nosso Universo, na realidade, muitas vezes não estão vazios, mas ocupados por nuvens de gás e poeira cósmica. Essa poeira consiste em grãos de vários tamanhos e composições que são formados e ejetados para o espaço de várias maneiras, inclusive por eventos de supernova. Este material é crucial para a evolução do Universo, pois as nuvens de poeira acabam por formar os locais de nascimento de novas estrelas e planetas. No entanto, também pode ser um obstáculo para os astrônomos: a poeira absorve a luz estelar em certos comprimentos de onda, tornando algumas regiões do espaço muito difíceis de observar. Uma vantagem, no entanto, é que certas moléculas absorvem de forma muito consistente ou interagem de outra forma com comprimentos de onda específicos da luz. Isso significa que os astrônomos podem obter informações sobre a composição da poeira cósmica observando os comprimentos de onda da luz que ela bloqueia. Uma equipe internacional de astrônomos usou essa técnica, combinada com a extraordinária sensibilidade do James Webb, para detectar a presença de grãos de poeira ricos em carbono apenas um bilhão de anos após o nascimento do Universo.
Joris Witstok, da Universidade de Cambridge, o principal autor deste trabalho, explica: “Grãos de poeira ricos em carbono podem ser particularmente eficientes na absorção de luz ultravioleta com um comprimento de onda em torno de 217,5 nanômetros, que pela primeira vez observamos diretamente nos espectros de galáxias muito primitivas”.
Esta característica proeminente de 217,5 nanômetros já foi observada no Universo muito mais recente e local, tanto dentro de nossa própria galáxia, a Via Láctea, quanto em galáxias até redshift – 3 [1]. Tem sido atribuído a dois tipos diferentes de espécies à base de carbono: hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs) ou grãos grafíticos de tamanho nanométrico. Os PAHs são moléculas complexas e os modelos modernos preveem que devem levar várias centenas de milhões de anos antes de se formarem. Seria surpreendente, portanto, se a equipe tivesse observado a assinatura química de uma mistura de grãos de poeira que incluía espécies que provavelmente ainda não haviam se formado. No entanto, de acordo com a equipe científica, esse resultado é a assinatura direta mais antiga e distante desse tipo específico de grão de poeira rico em carbono.
A resposta pode estar nos detalhes do que foi observado. Como já foi dito, o recurso associado à mistura de poeira cósmica de PAHs e minúsculos grãos de grafite é de 217,5 nanômetros. No entanto, o recurso observado pela equipe atingiu o pico de 226,3 nanômetros. Um nanômetro é um milionésimo de milímetro, e essa discrepância de menos de dez nanômetros pode ser explicada por erro de medição [3]. Da mesma forma, também pode indicar uma diferença na composição da mistura de poeira cósmica do Universo primordial que a equipe detectou.
“Essa ligeira mudança no comprimento de onda de onde a absorção é mais forte sugere que podemos estar vendo uma mistura diferente de grãos, por exemplo, grãos semelhantes a grafite ou diamante”, acrescenta Witstok. “Isso também poderia ser produzido em escalas de tempo curtas por estrelas Wolf-Rayet ou ejeção de supernova.”
A detecção dessa característica no Universo primitivo é surpreendente e permite aos astrônomos postular sobre os mecanismos que poderiam criar tal mistura de grãos de poeira. Isso envolve basear-se no conhecimento existente a partir de observações e modelos. Witstok sugere grãos de diamante formados em material ejetado de supernova porque os modelos sugeriram anteriormente que os nanodiamantes poderiam ser formados dessa maneira. Estrelas Wolf-Rayet são sugeridas porque são excepcionalmente quentes no final de suas vidas, e estrelas muito quentes tendem a viver rápido e morrer jovens; dando tempo suficiente para que gerações de estrelas tenham nascido, vivido e morrido, para distribuir grãos ricos em carbono na poeira cósmica circundante em menos de um bilhão de anos. Os modelos também mostraram que grãos ricos em carbono podem ser produzidos por certos tipos de estrelas Wolf-Rayet, e tão importante quanto esses grãos podem sobreviver à morte violenta dessas estrelas. No entanto, ainda é um desafio explicar completamente esses resultados com a compreensão existente da formação inicial da poeira cósmica. Esses resultados, portanto, continuarão a informar o desenvolvimento de modelos aprimorados e observações futuras.
Antes do James Webb, as observações de múltiplas galáxias tinham que ser combinadas para obter sinais fortes o suficiente para fazer deduções sobre as populações estelares nas galáxias e aprender como sua luz era afetada pela absorção de poeira. É importante ressaltar que os astrônomos estavam restritos a estudar galáxias relativamente antigas e maduras que tiveram muito tempo para formar estrelas, bem como poeira. Isso limitou sua capacidade de realmente identificar as principais fontes de poeira cósmica. Com o advento do James Webb, os astrônomos agora são capazes de fazer observações muito detalhadas da luz de galáxias anãs individuais, observadas nos primeiros bilhões de anos do tempo cósmico. O James Webb finalmente permite o estudo da origem da poeira cósmica e seu papel nos primeiros estágios cruciais da evolução da galáxia.
“Esta descoberta foi possível graças à melhoria inigualável da sensibilidade na espectroscopia de infravermelho próximo fornecida pelo James Webb e, especificamente, seu Espectrógrafo de infravermelho próximo (NIRSpec)”, observou o membro da equipe Roberto Maiolino, da Universidade de Cambridge e University College London. “O aumento de sensibilidade fornecido pelo James Webb é equivalente, no visível, a atualizar instantaneamente o telescópio de 37 milímetros do Galileo para o Very Large Telescope de 8 metros (um dos mais poderosos telescópios ópticos modernos).”
O NIRSpec foi construído para a Agência Espacial Européia por um consórcio de empresas européias lideradas pela Airbus Defence and Space (ADS) com o Goddard Space Flight Center da NASA fornecendo seu detector e subsistemas de microobturador. O principal objetivo do NIR Spec é permitir grandes levantamentos espectroscópicos de objetos astronômicos, como estrelas ou galáxias distantes. Isso é possível graças ao seu poderoso modo de espectroscopia multi-objeto, que faz uso de microshutters. Este modo é capaz de obter espectros de até quase 200 objetos simultaneamente, em um campo de visão de 3,6 × 3,4 minutos de arco – a primeira vez que esse recurso foi fornecido do espaço. Este modo permite um uso muito eficiente do valioso tempo de observação do James Webb.
A equipe também está planejando mais pesquisas sobre os dados e este resultado. “Estamos planejando trabalhar mais com teóricos que modelam a produção de poeira e crescimento em galáxias”, compartilha o membro da equipe Irene Shivaei da Universidade do Arizona/Centro de Astrobiologia (CAB). “Isso lançará luz sobre a origem da poeira e dos elementos pesados no início do Universo.”
Essas observações foram feitas como parte do James Webb Advanced Deep Extragalactic Survey, ou JADES, que dedicou cerca de 32 dias de tempo do telescópio para descobrir e caracterizar galáxias distantes e fracas. Este programa facilitou a descoberta de centenas de galáxias que existiam quando o Universo tinha menos de 600 milhões de anos, incluindo algumas das galáxias mais distantes conhecidas até hoje. O número absoluto e a maturidade dessas galáxias estavam muito além das previsões de observações feitas antes do lançamento do James Webb. Este novo resultado dos grãos de poeira do início do Universo contribui para a nossa compreensão crescente e evolutiva da evolução das populações estelares e das galáxias durante o primeiro bilhão de anos do tempo cósmico.
“Esta descoberta implica que as galáxias infantis no Universo primordial se desenvolvem muito mais rápido do que jamais prevíamos”, acrescenta o membro da equipe Renske Smit, da Liverpool John Moores University, no Reino Unido. “O James Webb nos mostra uma complexidade dos primeiros locais de nascimento de estrelas (e planetas) que os modelos ainda precisam explicar.”
Notas
[1] O Universo está se expandindo. A expansão está ocorrendo no nível fundamental do espaço-tempo, o que significa que a luz que viaja pelo Universo é ‘esticada’ à medida que o Universo se expande. Quanto mais cedo no Universo a luz se originou, mais ela terá se expandido agora. Na prática, esse alongamento da luz significa que seu comprimento de onda se torna mais longo. Esse efeito é conhecido como redshift cosmológico, porque a cor vermelha tem o comprimento de onda mais longo de toda a luz visível aos olhos humanos. Por causa disso, o tempo cosmológico geralmente não é medido em anos, mas é indicado pelo desvio para o vermelho da luz observada. O próprio Universo local – onde a luz que observamos foi emitida recentemente e não foi notavelmente desviada para o vermelho – tem um baixo desvio para o vermelho. Por outro lado, o redshift 7 corresponde à luz que foi emitida há cerca de 13 bilhões de anos, no início do Universo.
[2] A astronomia envolve fundamentalmente o estudo da luz, e a luz viaja a uma velocidade finita (cerca de 300 milhões de metros por segundo). Os objetos só podem ser observados pelos humanos quando a luz deles chega à Terra. Embora, de certa forma, forneça uma limitação, isso também oferece uma oportunidade direta de estudar o Universo inicial e também o atual. Estudar a luz do Universo primitivo envolve necessariamente a observação de regiões muito distantes da Terra, das quais leva muito tempo para a luz viajar até nós. Assim, sondar esses primeiros tempos cosmológicos (ou altos desvios para o vermelho) requer telescópios muito sensíveis.
[3] Todas as medições científicas – incluindo as de observações e as previstas por modelos – terão um erro associado. Isso ocorre porque sempre haverá fontes de incerteza. Se uma medição estiver dentro dos limites do erro esperado, isso significa que ainda pode ser precisa: neste contexto, isso significa que o recurso de 226,3 nanômetros ainda pode representar a mesma mistura de poeira cósmica representada pelo recurso de 217,5 nanômetros.
Publicado em 25/07/2023 15h26
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