Descoberta incrível resolve o enigma do brilho impossível no universo

Quando os cientistas visualizaram as primeiras imagens das galáxias mais antigas do universo pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST), eles ficaram chocados. As galáxias jovens pareciam ser muito brilhantes, muito massivas e muito maduras para terem se formado tão rapidamente após o Big Bang. Seria como se um bebê se transformasse em adulto em apenas alguns anos.

A descoberta surpreendente até mesmo levou alguns físicos a questionarem o modelo padrão de cosmologia, se perguntando se ele deveria ser modificado.

Brilho Galáctico vs. Massa

Usando novas simulações, uma equipe de astrofísicos liderada pela Universidade Northwestern descobriu que essas galáxias provavelmente não são tão massivas assim. Embora o brilho de uma galáxia seja tipicamente determinado por sua massa, os novos achados sugerem que galáxias menos massivas podem brilhar intensamente devido a explosões irregulares e brilhantes de formação estelar.

Essa descoberta não apenas explica por que as galáxias jovens parecem ser enganosamente massivas, mas também se encaixa no modelo padrão de cosmologia.

A pesquisa foi publicada em 3 de outubro no Astrophysical Journal Letters.

“A descoberta dessas galáxias foi uma grande surpresa porque elas eram substancialmente mais brilhantes do que se esperava”, disse Claude-André Faucher-Giguère, da Northwestern, autor sênior do estudo. “Tipicamente, uma galáxia é brilhante porque é grande. Mas como essas galáxias se formaram na aurora cósmica, não passou tempo suficiente desde o Big Bang. Como essas galáxias massivas se formaram tão rapidamente? Nossas simulações mostram que as galáxias não têm problemas para formar esse brilho na aurora cósmica.”

“A chave é reproduzir uma quantidade suficiente de luz em um sistema em um curto período de tempo”, acrescentou Guochao Sun, líder do estudo. “Isso pode acontecer tanto porque o sistema é realmente massivo, quanto porque ele tem a capacidade de produzir muita luz rapidamente. No segundo caso, o sistema não precisa ser tão massivo. Se a formação estelar ocorre em explosões, ela emitirá flashes de luz. É por isso que vemos várias galáxias muito brilhantes.”

Faucher-Giguère é professor associado de física e astronomia no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Sun é um bolsista pós-doutorado do CIERA na Northwestern.

Compreendendo a Aurora Cósmica

Um período que durou aproximadamente de 100 milhões de anos a 1 bilhão de anos após o Big Bang, a aurora cósmica é marcada pela formação das primeiras estrelas e galáxias do universo. Antes do lançamento do JWST ao espaço, os astrônomos sabiam muito pouco sobre esse período antigo.

“O JWST nos trouxe muito conhecimento sobre a aurora cósmica”, disse Sun. “Antes do JWST, grande parte do nosso conhecimento sobre o universo primordial era especulação baseada em dados de pouquíssimas fontes. Com o enorme aumento no poder de observação, podemos ver detalhes físicos sobre as galáxias e usar essa evidência observacional sólida para estudar a física e entender o que está acontecendo.”

Simulações Avançadas e Resultados

No novo estudo, Sun, Faucher-Giguère e sua equipe usaram simulações computacionais avançadas para modelar como as galáxias se formaram logo após o Big Bang. As simulações produziram galáxias da aurora cósmica que eram tão brilhantes quanto as observadas pelo JWST. As simulações fazem parte do projeto Feedback of Relativistic Environments (FIRE), que Faucher-Giguère co-fundou com colaboradores do California Institute of Technology, Princeton University e University of California em San Diego. O novo estudo inclui colaboradores do Center for Computational Astrophysics do Flatiron Institute, Massachusetts Institute of Technology e University of California, Davis.

As simulações FIRE combinam teoria astrofísica e algoritmos avançados para modelar a formação de galáxias. Os modelos permitem que os pesquisadores investiguem como as galáxias se formam, crescem e mudam de forma, levando em consideração energia, massa, momento e elementos químicos retornados pelas estrelas.

Quando Sun, Faucher-Giguère e sua equipe executaram as simulações para modelar as galáxias antigas formadas na aurora cósmica, eles descobriram que as estrelas se formaram em explosões - um conceito conhecido como “formação estelar explosiva”. Em galáxias massivas como a Via Láctea, as estrelas se formam em uma taxa constante, com o número de estrelas aumentando gradualmente ao longo do tempo. Mas a chamada formação estelar explosiva ocorre quando as estrelas se formam em um padrão alternado - muitas estrelas de uma vez, seguidas por milhões de anos com poucas estrelas novas e então muitas estrelas novamente.

“A formação estelar explosiva é especialmente comum em galáxias de baixa massa”, disse Faucher-Giguère. “Os detalhes de por que isso acontece ainda são objeto de pesquisas em andamento. Mas o que pensamos que acontece é que um grupo de estrelas se forma e, alguns milhões de anos depois, essas estrelas explodem como supernovas. O gás é expulso e depois cai de volta para formar novas estrelas, impulsionando o ciclo de formação estelar. Mas quando as galáxias se tornam suficientemente massivas, elas têm uma gravidade muito mais forte. Quando as supernovas explodem, elas não são fortes o suficiente para ejetar o gás do sistema. A gravidade mantém a galáxia unida e a leva a um estado estável.”

Galáxias Brilhantes e o Modelo do Universo

As simulações também foram capazes de produzir a mesma abundância de galáxias brilhantes que o JWST revelou. Em outras palavras, o número de galáxias brilhantes previsto pelas simulações coincide com o número de galáxias brilhantes observadas.

Embora outros astrofísicos tenham hipotetizado que a formação estelar explosiva poderia ser responsável pelo brilho incomum das galáxias na aurora cósmica, os pesquisadores da Northwestern são os primeiros a usar simulações computacionais detalhadas para provar que isso é possível. E eles foram capazes de fazer isso sem adicionar novos fatores que não estão alinhados com nosso modelo padrão do universo.

“A maior parte da luz em uma galáxia vem das estrelas mais massivas”, disse Faucher-Giguère. “Porque as estrelas mais massivas queimam em uma velocidade mais alta, elas têm uma vida mais curta. Elas rapidamente consomem seu combustível em reações nucleares. Portanto, o brilho de uma galáxia está mais diretamente relacionado a quantas estrelas ela formou nos últimos milhões de anos do que à massa da galáxia como um todo.”

Referência: “Bursty Star Formation Naturally Explains the Abundance of Bright Galaxies at Cosmic Dawn” por Guochao Sun, Claude-André Faucher-Giguère, Christopher C. Hayward, Xuejian Shen, Andrew Wetzel e Rachel K. Cochrane, 3 de outubro de 2023, The Astrophysical Journal Letters.

DOI: 10.3847/2041-8213/acf85a

O estudo foi apoiado pela NASA e pela National Science Foundation.