doi.org/10.48550/arXiv.2311.09908
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#Galáxias #James Webb
Astrofísicos que trabalham com o James Webb encontraram uma quantidade surpreendente de metal numa galáxia apenas 350 milhões de anos após o Big Bang. Como isso se encaixa em nossa compreensão do universo?
A origem dos primeiros metais do universo é uma questão fundamental na astrofísica. Pouco depois do Big Bang, o universo era composto quase inteiramente de hidrogênio, o mais simples dos elementos. Havia um pouco de hélio, menos ainda de lítio e possivelmente uma quantidade infinitesimal de berílio. Quando você olha a tabela periódica dos elementos, esses são os quatro primeiros.
Na astronomia, todos os elementos mais pesados que o hidrogênio e o hélio são chamados de metais. Os metais são produzidos nas estrelas e em nenhum outro lugar (exceto na pequena quantidade produzida pelo próprio Big Bang). Rastrear a formação dos metais do universo desde o Big Bang até agora é uma das missões fundamentais da astrofísica.
A metalicidade é um conceito fundamental em nosso estudo do universo. Sem metais, os planetas rochosos não podem se formar. A vida também não. Ao longo de sucessivas gerações de estrelas, a metalicidade do universo aumentou. Portanto, há uma trajetória subjacente que decorre dos primeiros metais e leva diretamente até nós.
O estudo de galáxias antigas é uma das principais missões do Telescópio Espacial James Webb. O James Webb Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) examinou uma região do céu em busca de galáxias primitivas e fracas. Ao olhar para trás no tempo, para as primeiras galáxias do Universo, o James Webb está a lançar luz sobre a antiga metalicidade.
Uma equipe de investigadores que trabalhou com observações JADES examinou uma galáxia apenas 350 milhões de anos após o Big Bang e encontrou carbono. Eles também podem ter encontrado oxigênio e néon, todos metais na astronomia. Suas descobertas estão em um novo artigo publicado no servidor de pré-impressão arXiv e intitulado “JADES: Enriquecimento de carbono 350 milhões de anos após o Big Bang em uma galáxia rica em gás”. O autor principal é Francesco D’Eugenio, astrofísico pós-doutorado no Instituto Kavli de Cosmologia em Cambridge.
As primeiras estrelas que se formaram no universo são chamadas de estrelas de População III. São as estrelas mais antigas e eram massivas, luminosas e quentes, quase sem metais. A pequena quantidade de metais que continham veio das primeiras supernovas entre eles.
Muito do nosso conhecimento sobre estrelas de População III é teórico porque estas estrelas antigas, nas suas galáxias antigas, são extremamente difíceis de observar. Mas o James Webb é capaz disso. Não consegue estrelas individuais, mas o seu poderoso instrumento NIRSpec pode detectar diferentes elementos na galáxia através das suas assinaturas luminosas reveladoras.
Esta nova investigação baseia-se numa galáxia em z=12,5 perto da Aurora Cósmica, uma era crítica na história do Universo. Quando os pesquisadores estudaram as observações do James Webb, descobriram uma quantidade inesperada de carbono na galáxia. Está no meio interestelar (ISM) ou no meio circungaláctico (CGM). “Esta é a detecção mais distante de uma transição metálica e a determinação do desvio para o vermelho mais distante através de linhas de emissão”, explicam eles. É também a “evidência mais distante de enriquecimento químico” encontrada até hoje.
Esta detecção colide diretamente com a nossa compreensão das estrelas da população III sem metal. “A detecção de C iii – e seu alto EW (larguras equivalentes) – exclui cenários de populações estelares primitivas”, escrevem os autores.
Se Webb descartou a existência de estrelas de população III imaculadas e livres de metal, isso é uma grande notícia. É outro exemplo do poderoso telescópio espacial que derruba nossas melhores explicações para o universo que vemos ao nosso redor. Mas não é totalmente chocante; a existência de estrelas de população III é teórica. Considerando tudo o que sabemos sobre o universo, a existência deles fazia sentido.
Mas as estrelas da população III nunca foram uma certeza.
Quando algo assim é descoberto, os cientistas se esforçam para considerar todas as outras explicações possíveis para o que estão vendo.
Eles estão realmente vendo carbono nas estrelas desta antiga e distante galáxia? Ou poderia haver algo mais por trás dessas emissões? A antiga galáxia contém mais do que apenas estrelas. É também o lar de um buraco negro supermassivo (SMBH). Quando um SMBH se alimenta de matéria, ele pode brilhar intensamente como um núcleo galáctico ativo (AGN). Esse sinal de luz pode ser o que o James Webb está vendo.
“Além disso, um buraco negro supermassivo em acreção foi identificado nesta galáxia, sugerindo que as abundâncias químicas peculiares podem estar principalmente associadas à sua região nuclear”, explicam os investigadores.
Há outra fonte potencial de carbono na galáxia. São estrelas AGB – estrelas ramificadas gigantes assintóticas. As estrelas AGB não são grandes estrelas explosivas como os progenitores das supernovas, mas são grandes estrelas que deixaram a sequência principal. Em comparação com as supernovas, as estrelas AGB produzem metais suavemente.
Mas leva muito tempo para uma estrela evoluir para uma estrela AGB. Quando o Universo tinha apenas 350 milhões de anos, nenhuma estrela tinha vivido o suficiente para se tornar AGB. “…as estrelas AGB não podem contribuir para o enriquecimento de carbono nestas épocas iniciais”, escrevem os autores.
No final, os investigadores relatam a deteção de carbono, mas não conseguem dizer-nos exatamente de onde veio. Podem ser “…a herança da primeira geração de supernovas dos progenitores da População III”, escrevem.
O James Webb foi levado ao seu limite para ver esta galáxia primitiva. “Esta detecção da transição metálica mais distante, que forneceu informações tão preciosas sobre as fases iniciais do enriquecimento químico, exigiu uma exposição muito longa”, explicam os autores. Demorou 65 horas do tempo do James Webb para coletar esses dados devido à extrema fraqueza da galáxia.
Mesmo com todo esse tempo de observação, os pesquisadores só conseguem chegar a explicações provisórias para a metalicidade que observam. Não é muito prático usar 65 horas do tempo do James Webb para estudar uma galáxia espectroscopicamente, mas é isso que o James Webb precisa fazer para este tipo de espectroscopia precisa. Isso pode mudar no futuro.
“No entanto, no futuro, pesquisas de grandes áreas e lentes gravitacionais poderão ajudar a identificar mais galáxias com alto desvio para o vermelho que sejam suficientemente brilhantes para um acompanhamento espectroscópico profundo com exposições mais curtas”, escrevem os investigadores.
Quando e se isso acontecer, os astrofísicos terão o tão desejado tamanho de amostra maior. Com esses dados valiosos em mãos, talvez eles possam chegar a uma explicação mais firme para esta descoberta surpreendente.
Publicado em 09/12/2023 10h12
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