Telescópio James Webb: conheça as galáxias mais antigas do Universo

O início do Universo não era nada parecido com o cosmos que vemos hoje. Antes, era tudo escuro: sem estrelas e sem galáxias, apenas uma sopa celestial fervendo. Mas centenas de milhões de anos após o Big Bang, as primeiras galáxias se formaram (como aconteceu exatamente é um mistério) e deram início a uma sequência evolutiva que povoou o cosmos com galáxias, incluindo a nossa própria Via Láctea.

Agora, os astrônomos que investigam o passado distante encontraram galáxias primitivas que podem ter surgido antes e crescido mais rápido do que o previsto.

A luz de algumas dessas galáxias, vislumbrada pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST, na sigla em inglês), da Nasa, atravessou o cosmos por aproximadamente 13,4 bilhões de anos antes de serem avistados pelos espelhos banhados a ouro do telescópio. Embora o JWST esteja totalmente operacional há apenas seis meses, suas observações já estão revelando os primeiros dias da história galáctica. Pelo menos duas galáxias que este instrumento descobriu estão mais distantes do que qualquer coisa vista antes, e o telescópio detectou outras candidatas intrigantes que aguardam confirmação.

“Estamos vendo como eram as galáxias em uma época em que o universo tinha apenas 300 a 400 milhões de anos”, disse Jane Rigby, cientista do projeto de operações do JWST, a um auditório lotado durante a reunião deste ano da Sociedade Astronômica dos Estados Unidos, em Seattle.

Várias equipes estão usando o JWST para examinar o universo inicial, onde galáxias antigas podem revelar novos insights sobre a história da criação do Universo. Essa história começa com uma explosão há cerca de 13,7 bilhões de anos, e as estrelas, planetas e pessoas que povoam o universo hoje são produtos de bilhões e bilhões de anos de evolução cósmica. Mas suas raízes estão plantadas nos primórdios cósmicos, escondidas atrás de um véu de poeira. O JWST, com seu olho infravermelho extremamente sensível, foi projetado para perfurar esse véu.

Entusiasmados com os primeiros sucessos do JWST, os astrônomos estão ansiosos para descobrir o quão longe ele pode ver. As galáxias que brilharam no início dos tempos já apresentam novos mistérios.

“Existem muitas, grandes demais, brilhantes demais, quentes demais, maduras demais e prematuras demais”, disse John Mather, da Nasa, cientista sênior de projetos do JWST, durante a reunião da AAS em Seattle.

James Webb: perscrutando o espaço e o tempo 

Telescópios como o JWST são como máquinas do tempo. Quando olham para grandes distâncias, eles também estão olhando para o passado. A luz capturada revela os objetos quando aparecem e brilharam pela primeira vez, que pode ser de milhões ou bilhões de anos atrás.

À medida que a luz viaja por um cosmos em expansão, estende-se para comprimentos de onda mais longos e vermelhos. Os astrônomos podem medir a extensão desse trecho, chamado redshift (ou desvio para o vermelho), que pode ser usado para calcular a distância de um objeto. Quanto maior for o desvio para o vermelho, maior é a distância do objeto.

Uma das maiores prioridades do JWST é estudar os objetos cósmicos do redshift, localizado a mais de um 1,5 milhões de quilômetros da Terra. O telescópio vê no infravermelho um instrumento ideal para detectar comprimentos de onda de luz mais longos. As galáxias detectadas pelo JWST já estão forçando os astrônomos a repensar exatamente o que constitui o alto redshift ou “alto-z”.

“O JWST mudou absolutamente nossa definição de alto redshift”, comunica em um e-mail Guido Roberts-Borsani, da Universidade da Califórnia, em Los Angeles (EUA). Em 2015, diz ele, as galáxias mais distantes conhecidas tinham valores de desvio para o redshift de 8 ou 9. Logo, o Telescópio Espacial Hubble detectou uma galáxia posteriormente chamada GN-z11 em torno do desvio para o redshift 11 e empurrou as primeiras galáxias ainda mais para trás no tempo.

“Agora o JWST eclipsou isso”, diz Roberts-Borsani, e a fronteira do desvio para o redshift foi movida para valores de 12 ou 13, equivalente a cerca de 13,3 ou 13,4 bilhões de anos atrás.

Procurando o redshift

Durante décadas, os astrônomos concorreram para encontrar as galáxias com maior desvio para o redshift; primeiro com os telescópios espaciais Hubble e Spitzer, e agora com o JWST. A competição entre as equipes que disputam o recorde tem sido historicamente bastante acirrada, embora isso possa estar mudando. 

Emma Curtis-Lake, astrofísica da Universidade de Hertfordshire, na Inglaterra, apresentou novos recordes de galáxias durante uma reunião científica de dezembro no Instituto de Ciências do Telescópio Espacial, em Baltimore (EUA), alegrando toda a sala de astrônomos. “Mudamos para um regime completamente novo – esta é a primeira vez que temos a confirmação de algo mais distante do que o Hubble poderia ver, e isso é apenas o começo”, disse à National Geographic Curtis-Lake, membro da colaboração JWST Jades (Advanced Deep Extragalactic Survey). 

Durante o verão, Jades examinou uma porção do céu do sul (uma parte do icônico Campo Ultra Profundo do Hubble) na procura de galáxias primordiais. Os caçadores de galáxias da colaboração vasculharam primeiro as 100 mil galáxias em uma imagem tirada pela câmera de infravermelho próximo do JWST. Este instrumento pode medir desvios para o vermelho estimados com base na luz de uma galáxia vista através de diferentes filtros. Em seguida, eles apontaram outro instrumento, o espectrômetro infravermelho próximo do JWST, para os alvos mais intrigantes.

O espectrômetro pode revelar o desvio para o vermelho preciso de uma galáxia (e, portanto, sua idade e distância) com base em interrupções características no espectro de luz proveniente das galáxias. Essas medições espectroscópicas são muito mais precisas, diz Brant Robertson, membro da equipe do Jades, da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, e é por isso que os astrônomos as consideram como uma confirmação do desvio para o vermelho de uma galáxia.

Curtis-Lake, Robertson e seus colegas confirmaram as distâncias de quatro galáxias que povoaram o cosmos primordial quando ele tinha apenas 300 ou 400 milhões de anos. Dois deles, embora terrivelmente longe, também foram avistados pelo Hubble. Os outros dois estão mais distantes do que qualquer coisa que o Hubble possa ver, com desvios para o vermelho de 12,6 e 13,2. Essas galáxias são, em grande parte, feitas de elementos mais leves, como hidrogênio e hélio, porque existiam antes da formação de muitos elementos mais pesados.

“Eles são como bebês em um universo que ainda não começou”, diz Curtis-Lake.

Uma família de galáxias primitivas

Astrônomos que trabalham em outro levantamento inicial de galáxias, o programa Ceers (Cosmic Evolution Early Release Science), anunciaram a confirmação de mais galáxias durante a reunião da AAS, muitas das quais estão entre desvios para o redshift de 8 e 9. O primeiro mosaico Ceers, uma composição de 690 quadros individuais que detalham um pedaço do céu perto da curva na alça da Ursa Maior, é a maior imagem de galáxias da pesquisa JWST lançada até agora.

“Você passará muito tempo ampliando essas imagens”, alertou Steve Finkelstein, da Universidade do Texas-Austin (EUA), aos astrônomos em Baltimore. “Você pode se divertir muito.”

Embora nenhuma das galáxias confirmadas do Ceers esteja tão distante quanto as quatro detectadas pelo Jades, uma galáxia não confirmada que os astrônomos ainda estão investigando pode estar incrivelmente distante. A candidata aparece como uma mancha em um redshift estimado de 16, o que significa que pode ser extraordinariamente jovem e distante. A equipe também revelou uma galáxia em forma de tomate estimada em um redshift de 12, agora conhecida como a galáxia de Maisie, em homenagem à filha de Finkelstein.

“Foi uma candidata realmente válida e valeu a pena escrever um artigo no aniversário da minha filha, então, esta é a galáxia de Maisie”, explicou ele na reunião de Baltimore.

Ambas as galáxias estão aguardando confirmação espectroscópica e, enquanto isso, outras equipes estão ocupadas identificando mais candidatas de alto redshift entre as outras imagens iniciais do JWST. Uma dessas equipes, liderada por Haojing Yan, da Universidade de Missouri (EUA), afirma ter avistado 87 galáxias abrangendo desvios para o redshift de 11 a 20. Essas candidatas também aguardam confirmação.

“Aposto 20 dólares e uma cerveja  que a taxa de sucesso deve ser superior a 50%”, disse Yan a jornalistas durante a reunião da AAS.

Se até mesmo uma pequena fração dessas galáxias candidatas estiver tão distante quanto se estimou inicialmente, diz Yan, então, “nossa imagem anterior da formação de galáxias no início do Universo deve ser revisada”.

Testando as leis da natureza

À primeira vista, parece que o universo primitivo era mais prodigioso em criar estrelas e galáxias do que os cientistas previam.

“As galáxias que encontramos nesses desvios para o redshift são mais numerosas do que esperávamos, com base em observações anteriores, e também são mais brilhantes do que acreditávamos nesses redshifts”, escreve Roberts-Borsani. “Para se adequar a essa ‘nova’ imagem, as galáxias tiveram que começar a se formar mais cedo e mais rápido do que se pensava anteriormente. ”

Roberts-Borsani é membro da colaboração Glass-JWST, que também está procurando galáxias com alto desvio para o vermelho e as estuda para entender a evolução cósmica. A colaboração Glass estudou um pedaço do céu que fica atrás de um enorme aglomerado de galáxias, e a equipe já descobriu um punhado de galáxias aparentemente primordiais – mais do que as simulações previam. “Ali tem algo estranho”, disse Roberts-Borsani a astrônomos em Baltimore.

Mas, diz ele, existem maneiras de explicar a aparente superabundância sem quebrar as leis do Universo atualmente estabelecidas. Telescópios como o JWST só conseguem visualizar pequenas áreas do céu de cada vez, então, por acaso, as equipes poderiam estar estudando porções do céu que são extraordinariamente repletas de galáxias.

Outra possibilidade é que essas primeiras galáxias sejam simplesmente mais brilhantes do que o esperado, talvez porque a formação de estrelas aconteceu de maneira diferente do que se pensava. Uma terceira explicação é que as estimativas baseadas nas observações do Hubble sejam incompletas por causa das capacidades limitadas. E, talvez, por razões ainda não explicadas, o universo primitivo tenha sido mais eficiente em acender as luzes do que o previsto.

As respostas a essas perguntas podem ser encontradas em estudos futuros. Por enquanto, diz Finkelstein, o JWST mostrou aos astrônomos que o universo primitivo estava “mais cheio de estrelas do que pensávamos!".