Um grupo internacional de investigação liderado pelo INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica), na Itália, e composto por 34 institutos de investigação e universidades de todo o mundo, utilizou o instrumento NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) a bordo do Telescópio Espacial James Webb (JWST) para testemunhar a interação dramática entre um quasar no interior do sistema PJ308-21 e duas massivas galáxias satélites no Universo distante. As observações, realizadas em setembro de 2022, revelaram detalhes sem precedentes e inspiradores, fornecendo novos conhecimentos sobre o crescimento das galáxias no início do Universo. Os resultados, apresentados durante a reunião de 2024 da Sociedade Astronómica Europeia (EAS) em Pádua (Itália), serão publicados em breve na revista Astronomy & Astrophysics.

As observações deste quasar (já descrito pelos mesmos autores num outro estudo publicado em maio passado), um dos primeiros estudados com o NIRSpec quando o Universo tinha menos de mil milhões de anos (desvio para o vermelho z=6,2342), revelaram dados de qualidade sensacional: o instrumento "captou" o espetro do quasar com uma incerteza inferior a 1% por pixel. A galáxia hospedeira de PJ308-21 apresenta uma elevada metalicidade e condições de fotoionização típicas de um núcleo galáctico ativo (NGA), enquanto uma das galáxias satélite apresenta uma baixa metalicidade (que se refere à abundância de elementos químicos mais pesados do que o hidrogénio e o hélio) e fotoionização induzida pela formação estelar; uma metalicidade mais elevada caracteriza a segunda galáxia satélite, que é parcialmente fotoionizada pelo quasar.

A descoberta permitiu aos astrónomos determinar a massa do buraco negro supermassivo no centro do sistema (cerca de 2 mil milhões de massas solares). Também confirmou que tanto o quasar como as galáxias circundantes são altamente evoluídos em termos de massa e enriquecimento de metais, e estão em constante crescimento. Este facto tem implicações profundas para a nossa compreensão da história cósmica e da evolução química das galáxias, realçando o impacto transformador desta investigação.

Roberto Decarli, investigador do INAF em Bolonha e primeiro autor do artigo científico, explica: "O nosso estudo revela que tanto os buracos negros no centro dos quasares de alto desvio para o vermelho como as galáxias que os acolhem sofrem um crescimento extremamente eficiente e tumultuoso já nos primeiros mil milhões de anos da história cósmica, auxiliados pelo rico ambiente galáctico em que estas fontes se formam". Os dados foram obtidos em setembro de 2022 como parte do Programa 1554, um dos nove projetos liderados por italianos do primeiro ciclo de observações do JWST. Decarli lidera este programa para observar a fusão entre a galáxia que acolhe o quasar (PJ308-21) e duas das suas galáxias satélite.

Mapa da emissão de oxigénio ionizado no sistema PJ308-21, observado com o Telescópio Espacial James Webb. Cada fotograma mostra uma gama de velocidades diferente. Na animação, vemos a complexa estrutura tridimensional do sistema e a "dança cósmica" das galáxias satélite em torno do quasar. Crédito: Decarli/INAF/A&A 2024

As observações foram efetuadas no modo de espetroscopia de campo integral: para cada pixel de imagem, pode ser observado o espetro de toda a banda ótica, desviado para o infravermelho devido à expansão do Universo. Isto permite o estudo de vários rastreadores de gás (linhas de emissão) utilizando uma abordagem 3D. Graças a esta técnica, a equipa liderada pelo INAF detetou emissões espacialmente alargadas de diferentes elementos, que foram utilizadas para estudar as propriedades do meio interestelar ionizado, incluindo a fonte e a intensidade do campo de radiação fotoionizante, a metalicidade, o obscurecimento da poeira, a densidade e a temperatura dos eletrões e o ritmo de formação estelar. Além disso, os investigadores detetaram marginalmente a emissão de luz estelar associada a fontes companheiras.

Federica Loiacono, astrofísica, investigadora e pós-doutorada do INAF, comenta com entusiasmo os resultados: "Graças ao NIRSpec, pela primeira vez podemos estudar o sistema PJ308-21 na banda ótica, rica em preciosos dados de diagnóstico sobre as propriedades do gás próximo do buraco negro na galáxia que acolhe o quasar e nas galáxias circundantes. Podemos ver, por exemplo, a emissão de átomos de hidrogénio e compará-la com os elementos químicos produzidos pelas estrelas para determinar a riqueza em metais do gás das galáxias. A experiência na redução e na calibração destes dados, alguns dos primeiros recolhidos com o NIRSpec em modo de espetroscopia de campo integral, assegurou uma vantagem estratégica para a comunidade italiana na gestão de dados semelhantes de outros programas". Federica Loiacono é o contacto italiano para a redução de dados do NIRSpec no Centro de Apoio ao JWST do INAF.

E acrescenta: "Graças à sensibilidade do Telescópio Espacial James Webb no infravermelho próximo e médio, foi possível estudar o espetro do quasar e das galáxias companheiras com uma precisão sem precedentes no Universo distante. Só a excelente 'visão' fornecida pelo JWST, com as suas capacidades sem paralelo, pode garantir estas observações". O trabalho representou uma verdadeira "montanha russa emocional", continua Decarli, "com a necessidade de desenvolver soluções inovadoras para ultrapassar as dificuldades iniciais na redução de dados".

Este impacto transformador dos instrumentos a bordo do Telescópio Espacial James Webb sublinha o seu papel crucial no avanço da investigação astrofísica: "Até há um par de anos, os dados sobre o enriquecimento de metais (essenciais para compreender a evolução química das galáxias) estavam quase fora do nosso alcance, especialmente a estas distâncias. Agora podemos mapeá-los em pormenor com apenas algumas horas de observação, mesmo em galáxias observadas quando o Universo estava a dar os primeiros passos", conclui Decarli.

// INAF (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Astronomy & Astrophysics)
// Artigo científico (arXiv.org)

Quer saber mais?

Quasar:
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Buraco negro supermassivo:
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