A maneira como as galáxias reúnem as suas estrelas e crescem ao longo de milhares de milhões de anos continua a ser uma das questões centrais da astronomia. Resultados recentes do Telescópio Espacial James Webb, incluindo informações de galáxias surpreendentemente massivas e evoluídas no Universo primitivo, só vieram aprofundar o mistério. Compreender como a nossa Galáxia, a Via Láctea, foi construída ao longo do tempo, é uma peça crucial deste mais vasto puzzle cósmico.

Um novo estudo liderado por Vivian Tan, doutoranda na Universidade de York, no Canadá, que estudou sob a supervisão do professor da Faculdade de Ciências Adam Muzzin, fornece a reconstrução mais pormenorizada até à data de como a Via Láctea pode ter evoluído desde as suas fases iniciais até à espiral estruturada que vemos hoje. Tan e os seus colegas examinaram 877 "gémeas da Via Láctea" - galáxias cujas massas e propriedades se aproximam do que os astrónomos pensam que a Via Láctea tenha sido em diferentes idades ao longo do tempo cósmico. Ao observar exemplos mais distantes e, portanto, progressivamente mais jovens destas sósias galácticas, a equipa traçou, com resultados surpreendentes, uma linha temporal da vida da nossa Galáxia. A história da nossa Via Láctea começou com uma juventude notavelmente tumultuosa antes da sua mais estável idade adulta.

As descobertas foram publicadas no passado mês de novembro na revista The Astrophysical Journal e foram realizadas com o apoio da Agência Espacial Canadiana.

Rebobinando o relógio cósmico da Via Láctea

As galáxias da amostra abrangem um intervalo notável de tempo cósmico, desde quando o Universo tinha apenas 1,5 mil milhões de anos (há 12,3 mil milhões de anos) até quando tinha 10 mil milhões de anos (há 3,5 mil milhões de anos). A época mais antiga remonta aquando o Universo tinha apenas 10% da sua idade atual, uma fase crucial em que as galáxias se transformaram de pequenos sistemas irregulares nas estáveis galáxias de disco que conhecemos hoje.

Para levar a cabo este trabalho, a equipa combinou imagens de alta resolução do Webb e do Telescópio Espacial Hubble. As observações do Webb provêm do levantamento CANUCS (Canadian NIRISS Unbiased Cluster Survey), um importante programa canadiano de observação que utiliza cinco enxames massivos de galáxias como lentes gravitacionais naturais. Estes enxames ampliam as galáxias de fundo, revelando estruturas ténues que, de outro modo, estariam demasiado distantes e seriam demasiado fracas para serem estudadas em pormenor.

O CANUCS tira partido das contribuições do Canadá para a missão do Webb através do instrumento NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph), construído pela Agência Espacial Canadiana em parceria com a Universidade de Montreal, o Centro Herzberg de Astronomia e Astrofísica do Conselho Nacional de Investigação do Canadá e a empresa aeroespacial canadiana Honeywell. Em troca, os astrónomos canadianos receberam valioso tempo de observação garantido com o Webb, incluindo os dados que permitiram este estudo.

Construindo galáxias de dentro para fora

A excecional resolução espacial do Telescópio James Webb permitiu aos investigadores criar mapas detalhados da massa estelar e da atividade de formação estelar em cada galáxia. Estes mapas mostram onde já existiam estrelas e onde se estavam a formar novas estrelas em diferentes fases da vida de uma galáxia.

Em toda a amostra, os resultados apontam para um padrão claro: galáxias como a nossa Via Láctea crescem de dentro para fora. As primeiras gémeas da Via Láctea são dominadas por regiões centrais densas e compactas. Com o tempo, as suas partes exteriores - as regiões que mais tarde se tornarão o disco - ganham rapidamente massa e tornam-se os principais locais de formação estelar. Esta expansão gradual para o exterior cria as estruturas espirais alargadas que vemos nas galáxias atuais.

"Os astrónomos têm vindo a modelar a formação da Via Láctea e de outras galáxias espirais há décadas", diz a autora principal Tan. "É espantoso que, com o JWST, possamos testar os seus modelos e mapear a forma como as progenitoras da Via Láctea crescem com o próprio Universo".

Mosaico de algumas das progenitoras da Via Láctea. Crédto: cortesia de Vivian Tan

Adolescência turbulenta

Os resultados mais interessantes do estudo revelam também que as galáxias jovens, semelhantes à Via Láctea, viveram em condições muito mais caóticas do que as suas congéneres mais antigas e evoluídas. Os sistemas mais jovens e mais distantes apresentam formas altamente perturbadas, características assimétricas e evidências de interações e fusões frequentes entre galáxias. Estas perturbações são sinais de um ambiente dinâmico onde as galáxias estavam constantemente a colidir, a acretar matéria e a desencadear intensos surtos de formação estelar.

Em contraste, as gémeas da Via Láctea em tempos cósmicos posteriores parecem muito mais estáveis e ordenadas. As suas estruturas são mais harmoniosas, a formação de estrelas está distribuída de modo mais uniforme e os sinais de grandes interações tornam-se muito menos comuns. No geral, apontam para uma Via Láctea com um passado mais caótico do que esperávamos.

Comparando observações e simulações

Tan e colaboradores compararam as suas observações com simulações computacionais de última geração que acompanham a evolução de galáxias semelhantes à Via Láctea. As simulações concordam, de um modo geral, com o crescimento de dentro para fora observado e com a atividade inicial de agregação e fusão. No entanto, por vezes não conseguem reproduzir a elevada compacidade central observada nas galáxias mais antigas e subestimam a rapidez com que a massa se acumula nas regiões exteriores há 8-11 mil milhões de anos.

Estas diferenças fornecem restrições importantes sobre o feedback, as taxas de fusão e os modelos de formação de disco, e realçam a necessidade de refinar as previsões teóricas na era do Webb.

Com o apoio das primeiras informações do Webb

Este estudo constitui um marco significativo para a crescente liderança do Canadá na investigação de galáxias com o Webb. Com o instrumento NIRISS e o levantamento CANUCS a continuarem a fornecer dados excecionalmente profundos e de alta resolução, os astrónomos vão voltar-se para amostras ainda maiores de sistemas semelhantes à Via Láctea e alargar a sua análise para incluir o conteúdo de gás, poeira e estrutura cinemática.

"Este estudo é um passo significativo na compreensão das primeiras fases da formação da nossa Galáxia", diz Muzzin, coautor do estudo. "No entanto, o telescópio espacial ainda não chegou aos seus limites. Nos próximos anos, com a combinação do JWST e das lentes gravitacionais, podemos passar da observação de gémeas da Via Láctea com 10% da sua idade atual para uns meros 3% da sua idade atual, fases verdadeiramente embrionárias da sua formação".

Esta equipa e várias equipas internacionais têm já programadas futuras observações a fazer com o Webb. Combinadas com simulações atualizadas, estas observações ajudarão a determinar com precisão quando é que galáxias como a nossa Via Láctea se estabelecem em discos estáveis, quanto tempo duram as fases turbulentas e quais os processos físicos que determinam a transição entre elas. Ao expandir este trabalho, a equipa pretende construir uma imagem cada vez mais completa da forma como galáxias como a nossa reuniram as suas estrelas e evoluíram desde o início do Universo até aos dias de hoje.

// Universidade de York (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal)

Quer saber mais?

Formação e evolução galáctica:
Wikipedia

Via Láctea:
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