12/12/2022 - 7:27
Uma equipe internacional de astrônomos usou dados do Telescópio Espacial James Webb, da Nasa/ESA/CSA, para relatar a descoberta das primeiras galáxias confirmadas até o momento. A luz dessas galáxias levou mais de 13,4 bilhões de anos para chegar até nós, já que essas galáxias datam de menos de 400 milhões de anos após o Big Bang, quando o universo tinha apenas 2% de sua idade atual.
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Dados anteriores do Webb forneceram candidatos para tais galáxias infantis. Agora, esses alvos foram confirmados pela obtenção de observações espectroscópicas, revelando padrões característicos e distintos nas impressões digitais de luz provenientes dessas galáxias incrivelmente fracas.
“Foi crucial provar que essas galáxias, de fato, habitam o início do universo. É muito possível que galáxias mais próximas se disfarcem de galáxias muito distantes”, disse a astrônoma e coautora Emma Curtis-Lake, da Universidade de Hertfordshire (Reino Unido). “Ver o espectro revelado como esperávamos, confirmando que essas galáxias estão no verdadeiro limite de nossa visão, algumas mais distantes do que o Hubble poderia ver! É uma conquista tremendamente emocionante para a missão.”
As observações resultaram de uma colaboração de cientistas que lideraram o desenvolvimento de dois dos instrumentos a bordo do Webb, a Near-Infrared Camera (NIRCam) e o Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec).
Visão sem precedentes
A investigação das galáxias mais fracas e antigas foi a principal motivação por trás dos conceitos desses instrumentos. Em 2015, as equipes de instrumentos se uniram para propor o JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), um programa ambicioso que foi alocado a pouco mais de um mês do tempo do telescópio, distribuído por dois anos, e foi projetado para fornecer uma visão do início do universo sem precedentes em profundidade e detalhes.
O JADES é uma colaboração internacional de mais de 80 astrônomos de dez países. “Esses resultados são o culminar do motivo pelo qual as equipes NIRCam e NIRSpec se uniram para executar esse programa de observação”, compartilhou a coautora Marcia Rieke, investigadora principal do NIRCam, da Universidade do Arizona em Tucson (EUA).
A primeira rodada de observações do JADES se concentrou na área dentro e ao redor do Ultra Deep Field (Campo Ultraprofundo) do Telescópio Espacial Hubble. Por mais de 20 anos, esse pequeno pedaço do céu tem sido o alvo de quase todos os grandes telescópios, construindo um conjunto de dados excepcionalmente sensível que abrange todo o espectro eletromagnético. Agora o Webb está adicionando sua visão única, fornecendo as imagens mais fracas e nítidas já obtidas.
O programa JADES começou com o NIRCam, usando mais de 10 dias de tempo de missão para observar o campo em nove cores infravermelhas diferentes e produzir imagens requintadas do céu. A região é 15 vezes maior do que as imagens infravermelhas mais profundas produzidas pelo Hubble, mas é ainda mais profunda e nítida nesses comprimentos de onda. A imagem é apenas do tamanho que um ser humano aparece quando visto a uma milha (1,6 quilômetro) de distância. No entanto, ela está repleta de quase 100 mil galáxias, cada uma capturada em algum momento de sua história, bilhões de anos atrás.
Experiência especial
“Pela primeira vez, descobrimos galáxias apenas 350 milhões de anos após o Big Bang, e podemos estar absolutamente confiantes em suas fantásticas distâncias”, compartilhou o coautor Brant Robertson, da Universidade da Califórnia em Santa Cruz (EUA), membro da equipe científica do NIRCam. “Encontrar essas primeiras galáxias em imagens tão incrivelmente belas é uma experiência especial.”
A partir dessas imagens, as galáxias no início do universo podem ser distinguidas por um aspecto revelador de suas cores de vários comprimentos de onda. A luz é esticada em comprimento de onda à medida que o universo se expande, e a luz dessas galáxias mais jovens foi esticada por um fator de até 14.
Os astrônomos procuram galáxias fracas que são visíveis no infravermelho, mas cuja luz é cortada abruptamente em um comprimento de onda crítico. A localização do corte dentro do espectro de cada galáxia é deslocada pela expansão do universo. A equipe JADES vasculhou as imagens do Webb em busca desses candidatos distintos.
Eles então usaram o instrumento NIRSpec, para um único período de observação de três dias, totalizando 28 horas de coleta de dados. A equipe coletou a luz de 250 galáxias fracas, que permitiu aos astrônomos estudar os padrões impressos no espectro pelos átomos de cada galáxia. Isso produziu uma medição precisa do desvio para o vermelho de cada galáxia e revelou as propriedades do gás e das estrelas nessas galáxias.
Medição precisa
“Esses são de longe os espectros infravermelhos mais fracos já obtidos”, disse o astrônomo e coautor Stefano Carniani, da Escola Normal Superior (Itália). “Eles revelam o que esperávamos ver: uma medição precisa do comprimento de onda de corte da luz devido à dispersão do hidrogênio intergaláctico.”
Quatro das galáxias estudadas são particularmente especiais, pois se revelou que elas são de uma época sem precedentes. Os resultados forneceram a confirmação espectroscópica de que essas quatro galáxias estão em redshifts (desvios para o vermelho) acima de 10, incluindo duas no redshift 13. Isso corresponde a uma época em que o universo tinha aproximadamente 330 milhões de anos, estabelecendo uma nova fronteira na busca por galáxias distantes. Essas galáxias são extremamente fracas por causa de sua grande distância de nós. Os astrônomos agora podem explorar suas propriedades, graças à requintada sensibilidade do Webb.
O astrônomo e coautor Sandro Tacchella, da Universidade de Cambridge (Reino Unido), explicou: “É difícil entender as galáxias sem entender os períodos iniciais de seu desenvolvimento. Assim como acontece com os humanos, muito do que acontece depois depende do impacto de essas primeiras gerações de estrelas. Muitas perguntas sobre galáxias estavam esperando pela oportunidade transformadora do Webb, e estamos entusiasmados por poder desempenhar um papel na revelação dessa história”.
O JADES continuará em 2023 com um estudo detalhado de outro campo, este centrado no icônico Hubble Deep Field, e depois retornará ao Ultra Deep Field para outra rodada de imagens profundas e espectroscopia. Muitos outros candidatos no campo aguardam investigação espectroscópica, com centenas de horas adicionais já aprovadas.
