Estudando as primeiras imagens de uma bem conhecida galáxia primitiva, obtidas pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA, astrónomos de Cornell ficaram intrigados ao ver uma mancha de luz perto da sua orla exterior.

O seu foco inicial, e o alvo do observatório infravermelho, era SPT0418-47, uma das galáxias poeirentas e formadoras de estrelas mais brilhantes do Universo primitivo, cuja distante luz foi curvada e ampliada, graças à gravidade de uma galáxia em primeiro plano, num círculo chamado anel de Einstein.

Pseudo-imagem de banda estreita, na gama do Hα, do sistema SPT0418. O anel de Einstein e duas fontes recentemente descobertas estão realçadas por um anel vermelho A e duas elipses cinzenta e preta B e C, respetivamente. A galáxia que atua como lente corresponde ao brilho central. O anel de Einstein (A), corresponde à galáxia que já se conhecia desde 2020, SPT0418-47. Pensa-se que as fontes B e C sejam imagens da mesma galáxia companheira, SPT0418-S, também sob o efeito de lente gravitacional.
Crédito: Peng et al., 2023

Mas uma análise mais profunda dos primeiros dados do JWST, divulgados no outono passado, produziu uma descoberta fortuita: uma galáxia companheira anteriormente escondida por detrás da luz da galáxia em primeiro plano, uma que surpreendentemente parece já ter acolhido várias gerações de estrelas apesar da sua jovem idade, estimada em 1,4 mil milhões de anos.

"Descobrimos que esta galáxia era quimicamente superabundante, algo que nenhum de nós esperava", disse Bo Peng, estudante de doutoramento em astronomia que liderou a análise dos dados. "O JWST muda a forma como vemos este sistema e abre novas maneiras de estudar como as estrelas e as galáxias se formaram no Universo primitivo".

Peng é o autor principal do artigo científico publicado a 17 de fevereiro na revista The Astrophysical Journal Letters, que contou também com a participação de oito coautores que são atuais ou antigos membros do Departamento de Astronomia da Faculdade de Artes e Ciências de Cornell.

Imagens anteriores do mesmo anel de Einstein, capturadas pelo ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) no Chile, continham pistas da companheira claramente resolvida pelo JWST, mas não podiam ser interpretadas como algo mais do que ruído aleatório, disse Amit Vishwas, associado de investigação no CCAPS (Cornell Center for Astrophysics and Planetary Sciences) e segundo autor do artigo.

Investigando dados espectrais incorporados em cada pixel de imagens do instrumento NIRSpec do Webb, Peng identificou uma segunda nova fonte de luz dentro do anel. Ele determinou que as duas novas fontes eram as imagens de uma nova galáxia a sofrer efeito de lente gravitacional pela mesma galáxia em primeiro plano, responsável pela criação do anel, embora fosse 8 a 16 vezes mais ténue - uma prova do poder da visão infravermelha do JWST.

Uma análise mais aprofundada da composição química da luz confirmou que fortes linhas de emissão de átomos de hidrogénio, azoto e enxofre apresentavam desvios para o vermelho semelhantes - uma medida de quanta luz de uma galáxia se estende para comprimentos de onda mais longos e avermelhados à medida que se afasta. Isto colocou as duas galáxias aproximadamente à mesma distância da Terra - calculada como um desvio para o vermelho de cerca de 4,2, ou cerca de 10% da idade do Universo - e na mesma vizinhança.

Para verificar a sua descoberta, os investigadores voltaram às observações anteriores do ALMA. Encontraram uma linha de emissão de carbono ionizado que correspondia de perto aos desvios para o vermelho observados pelo JWST.

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"Isso realmente cimentou o achado", disse Vishwas. "Dado que temos várias linhas de emissão desviadas exatamente pelo mesmo fator, não há dúvida de que esta nova galáxia está onde pensamos que está".

A equipa estimou que a galáxia companheira, que rotularam de SPT0418-SE, se encontrava a 5 quiloparsecs do anel (as Nuvens de Magalhães, satélites da Via Láctea, estão a cerca de 50 quiloparsecs de distância). Essa proximidade sugere que as galáxias estão a interagir entre si e potencialmente até a fundir-se, uma observação que contribui para a compreensão de como as galáxias primitivas podem ter evoluído para galáxias maiores.

As duas galáxias são modestas em termos de massa no contexto do Universo primitivo, com a "SE" sendo relativamente mais pequena e menos poeirenta, fazendo-a parecer mais azul do que o anel extremamente empoeirado. Com base em imagens de galáxias próximas com cores semelhantes, os investigadores sugerem que podem residir "num halo massivo de matéria escura com vizinhas ainda por descobrir".

O mais surpreendente sobre estas galáxias, considerando a sua idade e massa, foi a sua metalicidade madura - quantidades de elementos mais pesados do que o hélio e o hidrogénio, tais como carbono, oxigénio e azoto - que a equipa estimou ser semelhante ao nosso Sol. Em comparação com o Sol, que tem cerca de 4 mil milhões de anos e herdou a maioria dos seus metais a partir de gerações anteriores de estrelas que tiveram cerca de 8 mil milhões de anos para os construir, estamos a observar estas galáxias numa altura em que o Universo tinha menos de 1,5 mil milhões de anos.

"Estamos a ver os remanescentes de pelo menos um par de gerações de estrelas que viveram e morreram nos primeiros mil milhões de anos de existência do Universo, que não é o que tipicamente vemos ", disse Vishwas. "Especulamos que o processo de formação estelar nestas galáxias deve ter sido muito eficiente e ter começado muito cedo no Universo, particularmente para explicar a abundância medida de azoto em relação ao oxigénio, uma vez que esta proporção é uma medida fiável de quantas gerações de estrelas viveram e morreram".

Os investigadores apresentaram uma proposta para novo tempo de observação com o JWST e assim continuar o seu estudo do anel, da companheira e para conciliar as potenciais diferenças observadas entre o espectro ótico e o espectro infravermelho.

"Ainda estamos a trabalhar nesta galáxia", disse Peng. "Há mais a explorar nestes dados".

// Universidade de Cornell (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal Letters)
// Artigo científico (arXiv.org)

Quer saber mais?

CCVAlg - Astronomia:
14/08/2020 - ALMA observa a galáxia mais distante parecida com a Via Láctea

SPT0418-47:
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