Após anos de preparação e expectativa, o Telescópio Espacial James Webb finalmente foi lançado em órbita em 25 de dezembro de 2021 (que presente de Natal, hein?). Desde então, as impressionantes imagens e dados que nos foram devolvidos provaram, sem sombra de dúvida, que foi o melhor presente de Natal de sempre! Após o seu primeiro ano de operações, o James Webb cumpriu um dos seus principais objetivos: observar as primeiras estrelas e galáxias que povoaram o Universo. O observatório da próxima geração conseguiu isso estabelecendo novos recordes de distância e revelando galáxias que existiram menos de bilhões de anos após o Big Bang!
Estes estudos são essenciais para traçar a evolução do cosmos e resolver problemas com os nossos modelos cosmológicos, como a Tensão de Hubble e os mistérios da Matéria Escura e da Energia Escura. Bem, segurem-se porque as coisas atingiram um novo nível de incrível! Num estudo recente, uma equipe internacional de cientistas isolou uma candidata a estrela bem ampliada numa galáxia que aparece como era há quase 12,5 bilhões de anos. A detecção de uma estrela que existia quando o Universo tinha apenas cerca de 1,2 bilhões de anos mostra as capacidades do James Webb e oferece uma antevisão do que está por vir!
A pesquisa foi liderada por Lukas J. Furtak, estudante de pós-doutorado em astrofísica experimental na Universidade Ben-Gurion do Negev. A equipe internacional que liderou era composta por astrônomos e astrofísicos do Cosmic Dawn Center (DAWN), do Space Telescope Science Institute (STScI), da Associação de Universidades para a Investigação em Astronomia (AURA), do Conselho Nacional de Investigação Espanhol (CSIS), do Centro de Astronomia Extragaláctica, o Instituto de Física Racah, o Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (CfA), o Laboratório de Cosmologia Observacional do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA e muito mais.
As observações do Hubble e do James Webb de algumas das primeiras galáxias do Universo forneceram uma riqueza de informações que desafiaram e confirmaram os modelos predominantes de evolução cosmológica. Infelizmente, como os autores indicaram no seu estudo, é impossível observar diretamente estrelas individuais a estas distâncias, uma vez que são demasiado ténues em relação às galáxias circundantes. No entanto, os cientistas demonstraram que as estrelas podem ser observadas através de lentes gravitacionais, uma técnica em que um objeto massivo em primeiro plano amplifica a luz de um objeto mais distante.
Este efeito, previsto pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein, ocorre quando a força gravitacional de objetos massivos altera a curvatura do espaço-tempo ao seu redor. Nos últimos anos, esta técnica permitiu aos astrônomos identificar várias dezenas de estrelas em campos de aglomerados estelares de forte lente, e o James Webb já detectou várias. Para o seu estudo, a equipe consultou imagens obtidas pela Near-Infrared Camera (NIRCam) de Webb, que capturou o aglomerado de galáxias MACS0647 durante o seu primeiro ano de operações como parte do programa 1433 do Ciclo 1 de Observadores Gerais (GO).
Como Furtak disse ao Universe Today por e-mail, isso representou uma grande conquista, já que os estudos com lentes tradicionalmente se concentram em galáxias com alto desvio para o vermelho:
“O estudo de estrelas individuais com lentes a distâncias cosmológicas é um campo relativamente novo que ganhou interesse nos últimos anos graças às capacidades fenomenais dos Telescópios Espaciais Hubble e James Webb. Normalmente, estrelas individuais só podem ser observadas na nossa Galáxia e nos seus vizinhos imediatos, enquanto a distâncias cosmológicas maiores só vemos galáxias inteiras.
“No entanto, o efeito de lente gravitacional, onde objetos massivos, como aglomerados de galáxias, desviam a luz das fontes de fundo e a ampliam, pode mudar isso se uma única estrela em uma galáxia de fundo com lente cruzar a chamada linha crítica, que é uma região onde a ampliação gravitacional atinge valores extremos. Se o alinhamento estiver correto, isso nos permitirá observar estrelas isoladas em galáxias distantes.”
A gravidade deste aglomerado massivo produz uma lente poderosa que já foi usada para identificar a galáxia JD de lente tripla, que tem um valor de desvio para o vermelho de z=11. Isto corresponde a uma distância aparente de 13,4 bilhões de anos-luz atrás, o que significa que tem hoje a mesma aparência que tinha quando o Universo tinha menos de 500 milhões de anos. Utilizando esta mesma galáxia de lentes, a equipe obteve espectros de uma estrela individual em z=4,76 (MACS0647-star-1) – a uma distância aparente de cerca de 12,35 bilhões de anos atrás – e analisou-os para derivar as propriedades da estrela.
A estrela foi detectada pela primeira vez em 2022 usando dados do NIRCam de Webb, que foi relatado em um artigo do Dr. Ashish Meena da Universidade Ben-Gurion (um colega e coautor deste último artigo. Disse Furtak:
“[MACS0647-star-1] foi identificado como tal com base na sua posição numa galáxia de fundo fortemente distorcida e com lentes muito próximas ou mesmo no topo da linha crítica, ou seja, numa região onde a ampliação da lente gravitacional atinge valores extremos. Observe que uma segunda estrela mais fraca também foi detectada no mesmo estudo, MACS0647-star-2. Com base na fotometria em vários filtros de banda larga, MACS0647-star-1 foi identificado como uma estrela supergigante candidata do tipo B com temperatura superficial de ∼10.000K.”
Alguns meses depois, Furtak e sua equipe obtiveram os espectros MACS0647-star-1 usando o Espectrômetro de Infravermelho Próximo de Webb (NIRSpec) como parte de uma campanha maior visando todo o aglomerado de lentes. Os espectros permitiram-lhes medir com precisão o desvio para o vermelho para MACSO647-star-1, a partir do qual derivaram estimativas de distância que mostraram que a estrela existia quando o Universo tinha apenas 1,2 bilhões de anos. Como Furtak acrescentou, eles também descobriram que o espectro fornecia uma imagem mais complexa do que os dados fotométricos anteriores:
“Embora a medição fotométrica da imagem fosse consistente com uma única estrela supergigante do tipo B, [mas] com o espectro que vemos agora, devemos estar olhando para duas estrelas – uma do tipo B e uma do tipo F mais fria – ou em uma estrela quente do tipo B cuja luz é avermelhada pela poeira em algum lugar ao longo da linha de visão. A última explicação é a mais provável, no entanto. Dito isto, com o espectro atual – ou seja, tempo de integração de 1,8h e modo prisma NIRSpec, que tem uma resolução relativamente baixa – não podemos descartar completamente a possibilidade de que este não seja realmente um aglomerado estelar inteiro em vez de uma única estrela. qualquer um (ou seja, um objeto do tipo aglomerado globular, população estelar antiga muito densa).
Para se ter uma ideia melhor do que Webb revelou, são necessárias observações de acompanhamento da galáxia lente MACS0647. Especificamente, Furtak indicou a necessidade de espectros muito mais profundos e de resolução espectral muito maior para medir as linhas de absorção com mais clareza. Independentemente disso, é provável que estas descobertas se tornem comuns em breve, à medida que Webb continuar a estudar estrelas e galáxias que existiram durante o início do Universo. Até à data, várias estrelas com lentes a distâncias cosmológicas foram observadas pelo Hubble, a primeira (Icarus) foi avistada em 2018 pelo Hubble, enquanto a última (Earendel) foi detectada em 2022.
Com base no que Webb revelou apenas no seu primeiro ano de observações, Furtak antecipa que o James Webb encontrará estrelas com lentes a uma taxa de uma por enxame de galáxias observado. Já detectou várias estrelas com lentes, incluindo MACS0647-star-1, que é a segunda mais distante observada até hoje. Isso, disse Furtak, oferece uma prévia tentadora do que está por vir:
“Este estudo mostra definitivamente que o James Webb tem a capacidade instrumental não apenas para detectar estrelas com lentes em campanhas de imagem, mas também para obter seus espectros com o NIRSpec. Este é o segundo espectro de uma estrela com lentes já obtido e o primeiro baseado no espaço com James Webb. Por exemplo, um espectro para a estrela mais distante, Earendel, também foi obtido recentemente e provavelmente será publicado em breve. Em futuras campanhas de observação, podemos acompanhar sistematicamente estrelas com lentes detectadas pelo NIRCam, se forem fontes persistentes, com espectroscopia NIRSpec, a fim de derivar as suas propriedades.
“Este estudo também é baseado em tempos de exposição relativamente curtos do James Webb de aproximadamente 2h, enquanto o James Webb é perfeitamente capaz de atingir relações sinal-ruído muito mais altas através de tempos de exposição mais longos, o que significa que futuras observações do NIRSpec podem muito bem ser capazes de detectar características de absorção em estrelas lentes, pelo menos nas mais brilhantes. Note-se que este também seria um caso científico convincente para os próximos telescópios da classe de 30 m, como o ELT do ESO, que serão capazes de atingir sensibilidades e resoluções semelhantes às do James Webb, embora seja em comprimentos de onda ligeiramente inferiores.”
Publicado em 07/09/2023 23h54
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