Pela primeira vez, o Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA observou a assinatura química de grãos de poeira ricos em carbono no desvio para o vermelho ~7, o que equivale aproximadamente a mil milhões de anos após o nascimento do Universo. Assinaturas observacionais semelhantes foram observadas no Universo muito mais recente, atribuídas a moléculas complexas à base de carbono conhecidas como hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAPs). No entanto, não se pensa que seja provável que os HAPs se tenham desenvolvido nos primeiros mil milhões de anos do tempo cósmico.

Por isso, esta observação sugere a excitante possibilidade do Webb ter observado uma espécie diferente de molécula à base de carbono: possivelmente minúsculos grãos de grafite ou diamante produzidos pelas primeiras estrelas ou supernovas. Esta observação sugere interessantes vias de investigação sobre a produção de poeira cósmica e as primeiras populações estelares do nosso Universo, e foi possível graças à sensibilidade sem precedentes do Webb.

Os espaços aparentemente vazios do nosso Universo não são, na realidade, vazios de todo, mas ocupados por nuvens de gás e poeira cósmica. Esta poeira consiste em grãos de vários tamanhos e composições que são formados e ejetados para o espaço de várias maneiras, incluindo por eventos de supernova. Este material é crucial para a evolução do Universo, uma vez que as nuvens de poeira acabam por formar os berçários de novas estrelas e planetas. No entanto, também pode ser um obstáculo para os astrónomos: a poeira absorve a luz estelar em certos comprimentos de onda, tornando algumas regiões do espaço muito difíceis de observar. Um aspeto positivo, no entanto, é que certas moléculas absorvem ou interagem de forma muito consistente com comprimentos de onda específicos da luz. Isto significa que os astrónomos podem obter informações sobre a composição da poeira cósmica observando os comprimentos de onda da luz que esta bloqueia. Uma equipa internacional de astrónomos utilizou esta técnica, combinada com a extraordinária sensibilidade do Webb, para detetar a presença de grãos de poeira ricos em carbono apenas mil milhões de anos após o nascimento do Universo.

Joris Witstok, da Universidade de Cambridge, o principal autor deste trabalho, explica: "Os grãos de poeira ricos em carbono podem ser particularmente eficientes na absorção de luz ultravioleta com um comprimento de onda de cerca de 217,5 nanómetros, que pela primeira vez observámos diretamente nos espectros de galáxias muito antigas."

Esta caraterística proeminente de 217,5 nanómetros foi anteriormente observada no Universo local e muito mais recente, tanto na nossa Galáxia, a Via Láctea, como em galáxias até ao desvio para o vermelho ~3. Foi atribuída a dois tipos diferentes de espécies à base de carbono: hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAPs) ou grãos de grafite de tamanho nanométrico. Os HAPs são moléculas complexas e os modelos modernos preveem que a sua formação deve demorar várias centenas de milhões de anos. Seria surpreendente, portanto, se a equipa tivesse observado a assinatura química de uma mistura de grãos de poeira que inclui espécies que provavelmente ainda não se formaram. No entanto, de acordo com a equipa científica, este resultado é a assinatura direta mais antiga e mais distante deste tipo particular de grão de poeira rico em carbono.

A resposta pode estar nos pormenores do que foi observado. Como já foi dito, a característica associada à mistura de poeira cósmica de HAPs e pequenos grãos de grafite está a 217,5 nanómetros. No entanto, a característica observada pela equipa atingiu um máximo de 226,3 nanómetros. Um nanómetro é a milionésima parte de um milímetro e esta discrepância de menos de dez nanómetros pode ser explicada por um erro de medição (todas as medições científicas - incluindo as efetuadas a partir de observações e as previstas por modelos - terão um erro associado. Isto deve-se ao facto de existirem sempre fontes de incerteza. Se uma medição se situa dentro dos limites do erro esperado, significa que ainda pode ser exata: neste contexto, isso significa que a característica de 226,3 nanómetros ainda pode representar a mesma mistura de poeira cósmica que a representada pela característica de 217,5 nanómetros). De igual modo, poderia também indicar uma diferença na composição da mistura de poeira cósmica dos primórdios do Universo que a equipa detetou.

"Esta ligeira mudança no comprimento de onda onde a absorção é mais forte sugere que podemos estar a ver uma mistura diferente de grãos, por exemplo, grãos semelhantes a grafite ou diamante", acrescenta Witstok. "Isto também pode ser potencialmente produzido em curtas escalas de tempo por estrelas Wolf-Rayet ou material ejetado por supernovas."

A deteção desta caraterística no Universo primitivo é surpreendente e permite aos astrónomos postular sobre os mecanismos que poderiam criar uma tal mistura de grãos de poeira. Para tal, é necessário recorrer aos conhecimentos existentes a partir de observações e modelos. Witstok sugere que os grãos de diamante se formaram na ejeção de supernovas porque os modelos sugeriram anteriormente que os nano-diamantes poderiam ser formados desta forma. As estrelas Wolf-Rayet são sugeridas porque são excecionalmente quentes no final das suas vidas, e as estrelas muito quentes tendem a viver rapidamente e a morrer jovens; dando tempo suficiente para que gerações de estrelas tenham nascido, vivido e morrido e assim distribuir grãos ricos em carbono na poeira cósmica circundante em menos de mil milhões de anos. Os modelos também mostraram que os grãos ricos em carbono podem ser produzidos por certos tipos de estrelas Wolf-Rayet e, igualmente importante, que esses grãos podem sobreviver às mortes violentas dessas estrelas. No entanto, é ainda um desafio explicar completamente estes resultados com o conhecimento atual da formação inicial da poeira cósmica. Por conseguinte, estes resultados servirão de base para o desenvolvimento de modelos melhorados e para futuras observações.

Antes do Webb, as observações de múltiplas galáxias tinham de ser combinadas para obter sinais suficientemente fortes para fazer deduções sobre as populações estelares nas galáxias e para saber como a sua luz era afetada pela absorção de poeira. É importante notar que os astrónomos estavam limitados a estudar galáxias relativamente antigas e maduras, que tinham tido muito tempo para formar estrelas e poeira. Este facto limitava a sua capacidade de identificar as principais fontes de poeira cósmica. Com o advento do Webb, os astrónomos podem agora fazer observações muito detalhadas da luz de galáxias anãs individuais, vistas nos primeiros mil milhões de anos do tempo cósmico. O Webb permite finalmente o estudo da origem da poeira cósmica e do seu papel nas primeiras fases cruciais da evolução das galáxias.

"Esta descoberta foi possível graças à melhoria sem paralelo da sensibilidade da espectroscopia no infravermelho próximo proporcionada pelo Webb e, especificamente, pelo seu instrumento NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph)", salientou Roberto Maiolino, membro da equipa, da Universidade de Cambridge e da University College London. "O aumento de sensibilidade proporcionado pelo Webb é equivalente, no visível, à atualização instantânea do telescópio de 37 milímetros de Galileu Galilei para o VLT (Very Large Telescope) de 8 metros (um dos mais poderosos telescópios óticos modernos)."

O NIRSpec foi construído para a ESA por um consórcio de empresas europeias liderado pela ADS (Airbus Defence and Space), tendo o Centro de Voo Espacial Goddard da NASA fornecido os seus subsistemas de detetor e microdisparador. O principal objetivo do NIRSpec é permitir grandes levantamentos espectroscópicos de objetos astronómicos, como estrelas ou galáxias distantes. Isto é possível graças ao seu potente modo de espetroscopia multiobjecto, que utiliza microdisparadores. Este modo é capaz de obter espectros de até cerca de 200 objetos em simultâneo, num campo de visão de 3,6x3,4 minutos de arco - a primeira vez que esta capacidade é possível a partir do espaço. Este modo permite uma utilização muito eficiente do valioso tempo de observação do Webb.

A equipa está também a planear mais investigações sobre os dados e sobre este resultado. "Planeamos continuar a trabalhar com teóricos que modelam a produção e o crescimento de poeira nas galáxias", partilha Irene Shivaei, membro da equipa, da Universidade do Arizona/Centro de Astrobiologia (CAB). "Isto irá lançar luz sobre a origem da poeira e dos elementos pesados no Universo primitivo".

Estas observações foram feitas como parte do levantamento JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey), que dedicou cerca de 32 dias de tempo de telescópio a descobrir e a caracterizar galáxias fracas e distantes. Este programa permitiu a descoberta de centenas de galáxias que existiam quando o Universo tinha menos de 600 milhões de anos, incluindo algumas das galáxias mais longínquas conhecidas até à data. O número e a maturidade destas galáxias ultrapassam de longe as previsões das observações efetuadas antes do lançamento do Webb. Este novo resultado de grãos de poeira do início do Universo contribui para a nossa crescente compreensão da evolução das populações estelares e das galáxias durante os primeiros mil milhões de anos do tempo cósmico.

"Esta descoberta implica que as galáxias infantis no início do Universo se desenvolvem muito mais depressa do que alguma vez previmos", acrescenta Renske Smit, membro da equipa, da Universidade John Moores de Liverpool, no Reino Unido. "O Webb mostra-nos uma complexidade dos primeiros locais de nascimento de estrelas (e planetas) que os modelos ainda não conseguem explicar".

Os resultados foram publicados na revista Nature.

// ESA (comunicado de imprensa)
// ESA/Webb (comunicado de imprensa)
// Universidade de Cambridge (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature)
// Artigo científico (arXiv.org)

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