Uma das maiores conquistas do Telescópio Espacial James Webb (JWST) tem sido permitir que os cientistas expandam as fronteiras da astronomia ao observar galáxias que existiram durante os estágios iniciais do Universo, menos de um bilhão de anos após o Big Bang. Este período, conhecido pelos cientistas como a Época de Reionização, coincide com o intervalo que os astrônomos apelidaram de “Idade das Trevas Cósmica“.
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Ocorrendo entre 380 mil e 1 bilhão de anos após o Big Bang, essa era caracterizava-se por um Universo preenchido por hidrogênio neutro. Consequentemente, qualquer fonte de luz visível hoje sofreu um desvio para o vermelho (redshift) que a posiciona além dos limites de detecção dos telescópios convencionais.
No entanto, graças aos avançados instrumentos infravermelhos e espectrômetros do James Webb, os cientistas conseguem agora olhar por trás desse véu espesso e decifrar como as galáxias evoluíram desde as épocas cosmológicas mais primitivas.
Em uma descoberta recente, uma equipe internacional de astrônomos utilizou o Webb e a técnica de lenteamento gravitacional para capturar um vislumbre raro da LAP1-B, uma galáxia extremamente fraca que existiu meros 800 milhões de anos após o Big Bang.
Por meio dos espectrômetros do Webb, o grupo conseguiu caracterizar a galáxia de forma definitiva, revelando que ela se trata da galáxia mais pobre em metais já observada até hoje no Universo primitivo.
A pesquisa foi liderada pelo professor associado Kimihiko Nakajima, da Universidade de Kanazawa (Japão). O estudo detalhado que descreve o achado foi publicado em 13 de maio na prestigiada revista científica Nature.
Arqueologia cósmica em tempo real
- No período imediatamente posterior ao Big Bang, o Universo continha apenas elementos leves, como hidrogênio e hélio;
- Os elementos químicos necessários para a vida, tais como o carbono e o oxigênio, estavam completamente ausentes;
- Esses elementos mais pesados foram forjados no interior da primeiríssima geração de estrelas — conhecidas na astrofísica como estrelas de População III;
- Posteriormente, tais elementos foram dispersos pelo espaço quando essas estrelas explodiram em supernovas, expelindo suas camadas externas.
Por décadas, astrofísicos nutriram a esperança de encontrar essas estrelas para testemunhar o exato momento em que começaram a semear o Universo com elementos mais pesados.
A tarefa, contudo, mostrava-se espinhosa, uma vez que as galáxias mais antigas que abrigaram as estrelas de População III são extremamente pequenas e tênues. Como resultado, determinar a composição química desses objetos por meio de espectroscopia era considerado algo praticamente impossível — até agora.
O trabalho de Nakajima e seus colaboradores baseia-se em detecções iniciais da galáxia LAP1-B, adicionando espectros detalhados obtidos pelo James Webb à análise. Os dados revelaram uma abundância recorde de oxigênio extremamente baixa: apenas 1/240 da quantidade encontrada no Sol.
Quando combinada com uma proporção elevada de carbono em relação ao oxigênio e a presença dominante de um halo de matéria escura, a descoberta sugere que a LAP1-B é uma progenitora direta das galáxias fósseis encontradas atualmente nas proximidades da nossa própria galáxia, a Via Láctea.
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A busca por essas galáxias “ancestrais” vinha mobilizando astrônomos há tempos, tornando a LAP1-B uma janela histórica sem precedentes para os estágios mais primitivos de formação galáctica.
“Normalmente, agimos como ‘arqueólogos cósmicos‘, tentando adivinhar o passado olhando para estrelas antigas em nossa própria vizinhança. Mas agora, podemos analisar o gás diretamente da cena original há 13 bilhões de anos”, disse Nakajima em comunicado.
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O poder da lente gravitacional
A observação minuciosa de um objeto tão distante só foi possível graças a uma feliz coincidência cósmica: a presença de um massivo aglomerado de galáxias interveniente (o aglomerado MACS J0416), localizado entre a Terra e a LAP1-B. Esse aglomerado atuou como uma lente gravitacional natural, dobrando o espaço-tempo e ampliando a luz fraca da LAP1-B por um fator de 100 vezes.
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Após acumularem 30 horas de observações profundas e espectroscopia altamente detalhada, os pesquisadores finalmente conseguiram caracterizar a abundância química da jovem galáxia. Além de ser quimicamente primitiva, a razão entre carbono e oxigênio na LAP1-B alinha-se de maneira muito próxima às previsões teóricas do material dispersado especificamente pelas explosões de estrelas de População III.
“Fiquei instantaneamente entusiasmado com a extrema falta de oxigênio revelada nos dados. Encontrar uma galáxia em um estado tão primitivo é surpreendente. É uma assinatura química que indica claramente uma galáxia primordial capturada nos momentos logo após a sua formação”, afirmou Nakajima.
Elo de matéria escura e fósseis do Universo
As análises da equipe revelaram outra característica crucial: a LAP1-B é incrivelmente leve, registrando menos de 3,3 mil massas solares. Uma massa tão diminuta implica que a maior parte da estrutura da galáxia é, na verdade, composta por matéria escura na forma de um halo protetor.
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Essa massa reduzida, somada à assinatura química singular do objeto, faz com que a LAP1-B seja uma correspondência quase perfeita para as chamadas “Galáxias Anãs Ultra-Fracas” (UFDs, na sigla em inglês), que orbitam as vizinhanças da Via Láctea nos dias atuais.
O professor Masami Ouchi, pesquisador do Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ) e da Universidade de Tóquio (Japão), além de coautor do estudo, detalhou a importância dessa correlação.
“As UFDs não são apenas as galáxias mais fracas; elas são compostas por estrelas antigas com mais de 12 bilhões de anos e são frequentemente descritas como ‘fósseis do Universo‘. Os astrônomos suspeitavam que elas pudessem ser os restos das primeiras galáxias do Universo porque não têm elementos pesados, mas nunca tivemos uma ligação direta — até encontrarmos a LAP1-B. É uma surpresa profunda descobrir que a LAP1-B se parece exatamente com o ‘ancestral’ que só havíamos imaginado nas teorias. Isso nos ajuda a resolver o mistério de por que esses fósseis cósmicos sobreviveram em sua forma atual até os dias de hoje”, pontuou Ouchi.
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As descobertas dessa equipe internacional fornecem aos astrônomos uma nova metodologia para mapear o surgimento de elementos mais pesados no cosmos e o desenvolvimento de suas estruturas mais antigas.
O próximo passo da equipe consistirá no uso contínuo de dados do James Webb para buscar objetos ainda mais primitivos quimicamente, incluindo as primeiríssimas estruturas que já se formaram no Universo. Conforme indicou Nakajima, a expectativa é de que esta histórica descoberta represente apenas o ponto de partida para desvendar as origens químicas do nosso Universo.
Rodrigo Mozelli
Rodrigo Mozelli é jornalista formado pela Universidade Metodista de São Paulo (UMESP) e, atualmente, é redator do Olhar Digital.
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