Imagens de galáxias primitivas obtidas pelo Telescópio Espacial James Webb revelam brilhos inesperados que colocam em questão a nossa compreensão da cosmologia. Simulações da Universidade Northwestern mostram que o brilho destas galáxias se deve à formação estelar esporádica, e não ao seu tamanho massivo, o que é consistente com os modelos cosmológicos atuais.

O flash intenso, e não o de massa, resolve o mistério impossível do brilho. Os cientistas ficaram chocados quando viram as primeiras imagens das primeiras galáxias do universo obtidas pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST). Estas galáxias jovens parecem ser demasiado brilhantes, demasiado grandes e demasiado maduras para terem sido formadas logo após o Big Bang. É como se um bebê se tornasse adulto em apenas alguns anos.

A descoberta surpreendente fez com que alguns físicos questionassem o Modelo Padrão da Cosmologia, perguntando-se se deveria ser derrubado.

Brilho e massa da galáxia

Uma equipe de astrofísicos liderada pela Northwestern University usou novos métodos de simulação para descobrir que essas galáxias podem não ser tão massivas, afinal. Embora o brilho de uma galáxia seja normalmente determinado pela sua massa, novas descobertas sugerem que galáxias menos massivas podem brilhar com a mesma intensidade a partir de explosões irregulares e brilhantes de formação estelar.

A descoberta não só explica porque é que as galáxias jovens parecem ter massas enganosas, mas também se enquadra no modelo padrão da cosmologia.

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

Concepção artística de uma galáxia estelar inicial. Esta imagem, extraída de dados de simulação FIRE usados ​​para este estudo, poderia explicar as descobertas recentes do JWST. Estrelas e galáxias aparecem como pontos de luz brancos brilhantes, enquanto a matéria escura e o gás mais difusos aparecem em roxo e vermelho. Fonte: Aaron M. Geller, Northwestern University, CIERA+IT-RCDS

Claude-André Faucher-Giguère, da Northwestern University, autor sênior do estudo, disse:"A descoberta dessas galáxias foi uma grande surpresa porque elas são muito mais brilhantes do que o esperado. Normalmente, uma galáxia é brilhante porque é grande. Mas porque essas galáxias foram formadas no início do universo, não o tempo suficiente após o Big Bang. Como essas enormes galáxias puderam se unir tão rapidamente? Nossas simulações mostram que não há problema para galáxias se formarem com esse brilho no início de o universo."

Sun Guochao, que liderou o estudo, acrescentou: “A chave é reproduzir uma quantidade suficiente de luz num sistema num curto espaço de tempo. Isto ocorre ou porque o sistema é muito massivo ou porque tem a capacidade de produzir grandes quantidades de luz rapidamente.

Faucher-Giguère é professor associado de física e astronomia no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica (CIERA). Sun é pós-doutorado no CIERA da Northwestern University.

Compreendendo o amanhecer do universo

O amanhecer cósmico é um período de aproximadamente 100 milhões a 1 bilhão de anos após o Big Bang, marcado pela formação das primeiras estrelas e galáxias do universo. Antes do JWST ir para o espaço, os astrônomos sabiam pouco sobre esse período antigo.

"O JWST ensinou-nos muito sobre o nascimento do universo. Antes do JWST, a maior parte do que sabíamos sobre o universo primitivo foi extrapolado a partir de dados de um número muito pequeno de fontes. Com capacidades de observação dramaticamente melhoradas, podemos ver os detalhes físicos das galáxias e usar esta evidência observacional sólida para estudar física e compreender o que estava a acontecer."

No novo estudo, Sun, Faucher-Giguère e a sua equipa utilizaram simulações computacionais avançadas para modelar como as galáxias se formaram após o Big Bang. As galáxias simuladas do Cosmic Dawn são tão brilhantes quanto as observadas pelo JWST. Essas simulações fazem parte do projeto Feedback in Relativistic Environments (FIRE), que Faucher-Giguère co-fundou com colaboradores da Caltech, da Universidade de Princeton e da Universidade da Califórnia, em San Diego. Os colaboradores do novo estudo incluem pesquisadores do Centro de Astrofísica Computacional do Flatiron Institute, do MIT e da Universidade da Califórnia, Davis.

As simulações FIRE combinam teoria astrofísica e algoritmos avançados para simular a formação de galáxias. Estes modelos permitem aos investigadores explorar como as galáxias se formam, crescem e mudam de forma, tendo em conta a energia, a massa, o momento e os elementos químicos devolvidos pelas estrelas.

Quando Sun, Faucher-Giguère e a sua equipa realizaram simulações de galáxias primitivas que se formaram no início do Universo, descobriram que as estrelas se formavam em explosões - um conceito conhecido como "formação estelar explosiva". Em galáxias massivas como a Via Láctea, as estrelas formam-se a um ritmo constante, com o número de estrelas aumentando gradualmente ao longo do tempo. Mas o que é chamado de formação de explosão estelar ocorre quando as estrelas se formam num padrão alternado - muitas estrelas formam-se ao mesmo tempo, depois muito poucas estrelas novas ao longo de milhões de anos, e depois muitas mais estrelas.

“A formação estelar explosiva é particularmente comum em galáxias de baixa massa”, disse Faucher-Giguère. "Os detalhes da razão pela qual isto acontece ainda são objecto de investigação em curso. Mas o que pensamos que acontece é que há uma explosão de formação estelar e, alguns milhões de anos mais tarde, essas estrelas explodem como supernovas. O gás é expelido e depois cai de volta para formar novas estrelas, impulsionando o ciclo de formação estelar. Mas quando as galáxias têm massa suficiente, a sua gravidade é mais forte. Quando as supernovas explodem, a sua gravidade não é forte o suficiente para expulsar o gás da galáxia. A gravidade mantém a galáxia unida, trazendo-a para um estado estável."

Galáxias brilhantes e modelos de universo

A simulação também foi capaz de produzir o mesmo número de galáxias brilhantes reveladas pelo JWST. Por outras palavras, o número de galáxias brilhantes previstas pelas simulações corresponde ao número de galáxias brilhantes observadas.

Embora outros astrofísicos tenham levantado a hipótese de que a formação estelar explosiva poderia ser responsável pelo brilho incomum das galáxias no início do universo, os pesquisadores da Northwestern University são os primeiros a usar simulações computacionais detalhadas para mostrar que isso é possível. E foram capazes de fazer isso sem adicionar novos fatores que sejam inconsistentes com o Modelo Padrão do nosso universo.

“A maior parte da luz numa galáxia vem das estrelas mais massivas”, disse Faucher-Giguère. "Como as estrelas mais massivas queimam mais rapidamente, elas vivem vidas mais curtas. Consomem rapidamente o seu combustível em reações nucleares. Portanto, o brilho de uma galáxia está mais diretamente relacionado com o número de estrelas que formou ao longo dos últimos milhões de anos, e não com a massa de toda a galáxia."