Uma equipa internacional liderada por investigadores do NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan) detetou com sucesso a emissão de várias transições atómicas de uma galáxia primordial muito distante, batendo recordes anteriores para a deteção mais longínqua destes elementos. Este estudo aprofundado fornece os primeiros conhecimentos diretos das propriedades das galáxias mais antigas do Universo.

"Apontámos as mais de quarenta antenas de 12 metros do ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) e o Telescópio Espacial James Webb de 6,5 m durante várias horas para uma posição no céu que pareceria totalmente vazia a olho nu, com o objetivo de captar um sinal de um dos objetos astronómicos mais distantes conhecidos até à data", diz Jorge Zavala, astrónomo do Centro Regional ALMA da Ásia Oriental no NAOJ. "E detetaram com sucesso a emissão de átomos excitados de diferentes elementos como o hidrogénio e o oxigénio de uma época nunca antes alcançada", acrescenta. É a primeira vez que se detetam emissões deste tipo em galáxias distantes a mais de 13 mil milhões de anos-luz.

O início deste estudo remonta às primeiras observações extragaláticas feitas pelo JWST em 2022, a partir das quais foi identificado um número surpreendentemente grande de candidatos a galáxias distantes brilhantes, incluindo o alvo destas observações: a galáxia GHZ2 (também conhecida como GLASS-z12).

A confirmação e caracterização das propriedades físicas desta inesperada população de objetos brilhantes e distantes é de importância crucial para testar as nossas atuais teorias de formação e evolução galáctica e para compreender as primeiras fases da história da "montagem" das galáxias. O conhecimento da sua física interna requer, no entanto, observações astronómicas detalhadas e sensíveis e, em particular, espetroscopia - uma técnica que permite aos astrónomos identificar características específicas que podem ser inequivocamente associadas a elementos atómicos, moléculas ou substâncias mais complexas. Mas estas observações provaram ser um desafio para estas galáxias - o que não é surpreendente, dado que são os objetos astronómicos mais distantes alguma vez detetados.

As requintadas observações relatadas nestes trabalhos permitiram obter alguns dos primeiros conhecimentos da natureza destas galáxias primordiais. A deteção, pelo ALMA, da transição 88μm do oxigénio duplamente ionizado coloca esta galáxia num desvio para o vermelho de z=12,333; aproximadamente 400 milhões de anos após o Big Bang, quando o cosmos tinha apenas 3% da sua idade atual! Isto corresponde a um tempo de viagem da luz de 13,4 mil milhões de anos - uma deteção que bate recordes. De facto, este é o primeiro objeto astronómico detetado pelo ALMA a z>10 e a galáxia mais distante com múltiplas linhas de deteção em todo o espetro eletromagnético até à data. A disponibilidade deste conjunto de dados, em combinação com as observações do JWST feitas com os instrumentos NIRSpec e MIRI, permitiu uma caracterização sem paralelo deste objeto.

A equipa descobriu que esta galáxia está a passar por surtos extremos de formação estelar em condições únicas que diferem das da população mais vasta de galáxias com formação estelar estudadas nas últimas décadas. A metalicidade inferida (a abundância relativa de elementos mais pesados do que o hidrogénio) é significativamente mais baixa em comparação com a maioria das galáxias estudadas até à data - um resultado esperado tendo em conta a idade do Universo na altura - embora já tenha atingido um-décimo da abundância solar. Da mesma forma, tem uma população estelar jovem que pode explicar parcialmente a sua elevada luminosidade devido à presença de estrelas de vida curta, massivas e quentes, normalmente ausentes em galáxias mais evoluídas.

A massa total desta galáxia, algumas centenas de milhões de vezes a massa do Sol, muito bem limitada pelos dados do ALMA, está encapsulada numa região surpreendentemente pequena de cerca de (ou menos de) 100 parsecs, indicando uma elevada densidade estelar semelhante à dos enxames globulares - associações massivas e gravitacionais de estrelas muito velhas encontradas na nossa Galáxia e noutras. As semelhanças com esta enigmática população de objetos são, na verdade, numerosas, incluindo a baixa metalicidade, anomalias na abundância química, alta densidade superficial do ritmo de formação estelar e alta densidade superficial da massa estelar, entre outras. Objetos como GHZ2 poderiam assim ajudar a explicar a origem intrigante dos enxames globulares, cuja formação permaneceu um mistério durante muitas décadas.

"Este estudo vem coroar o esforço de vários anos para compreender as galáxias no início do Universo", explica Tom Bakx, investigador da Universidade Chalmers, na Suécia, que trabalhava anteriormente na Universidade de Nagoya. Estas observações abrem caminho a futuras investigações de objetos primordiais para revelar as primeiras fases da formação galáctica. "A análise de múltiplas linhas de emissão permitiu vários testes chave das propriedades das galáxias e demonstra as excelentes capacidades do ALMA através de uma excitante e poderosa sinergia com outros telescópios como o JWST", concluiu Bakx.

// NAOJ (comunicado de imprensa)
// Observatório ALMA (comunicado de imprensa)
// Artigo científico #1 (The Astrophysical Journal Letters)
// Artigo científico #2 (Nature Astronomy)
// Artigo científico #3 (The Astrophysical Journal)
// Artigo científico #4 (The Astrophysical Journal)

Quer saber mais?

CCVAlg - Astronomia:
27/01/2023 - Astrónomos confirmam idade da galáxia mais distante com oxigénio

GHZ2/GLASS-z12:
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Evolução galáctica:
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