Como as galáxias formam suas estrelas e crescem ao longo de bilhões de anos continua sendo uma das questões centrais da astronomia. Resultados recentes do Telescópio Espacial James Webb (JWST), incluindo relatos de galáxias surpreendentemente massivas e evoluídas no início do universo, apenas aprofundaram o mistério. Compreender como nossa própria galáxia, a Via Láctea, se construiu ao longo do tempo fornece uma peça crucial desse quebra-cabeça cósmico mais amplo.
Infográfico dos progenitores da Via Láctea por idade do Universo e massa estelar. Crédito: Vivian Tan
Um novo estudo liderado por Vivian Tan, doutora pela Universidade de York, que estudou sob a supervisão do professor associado da Faculdade de Ciências, Adam Muzzin, fornece a reconstrução mais detalhada até o momento de como a Via Láctea pode ter evoluído desde suas fases iniciais até a espiral estruturada que vemos hoje.
Tan e seus colegas examinaram 877 "gêmeas da Via Láctea" — galáxias cujas massas e propriedades correspondem de perto ao que os astrônomos esperam que a Via Láctea tenha sido em diferentes épocas ao longo do tempo cósmico.
Ao observar exemplos mais distantes e, portanto, progressivamente mais jovens dessas galáxias semelhantes, a equipe conseguiu traçar uma linha do tempo da vida da nossa galáxia, com resultados surpreendentes. A história da nossa Via Láctea começou com uma juventude notavelmente tumultuada antes de sua fase adulta mais estável.
Os resultados foram publicados no The Astrophysical Journal .
Rebobinando o relógio cósmico da Via Láctea
As galáxias da amostra abrangem uma notável faixa de tempo cósmico, desde quando o universo tinha apenas 1,5 bilhão de anos (12,3 bilhões de anos atrás) até 10 bilhões de anos (3,5 bilhões de anos atrás). Esse período remonta a quando o universo tinha apenas 10% de sua idade atual, uma época crucial em que as galáxias se transformaram de pequenos sistemas irregulares nas galáxias de disco estáveis que conhecemos hoje.
Para realizar este trabalho, a equipe combinou imagens de alta resolução do JWST e do Telescópio Espacial Hubble (HST). As observações do JWST provêm do Canadian NIRISS Unbiased Cluster Survey (CANUCS), um importante programa de observação canadense que utiliza cinco aglomerados de galáxias massivos como lentes gravitacionais naturais. Esses aglomerados ampliam as galáxias de fundo, revelando estruturas tênues que, de outra forma, seriam muito distantes e fracas para serem estudadas em detalhes.
O projeto CANUCS aproveita as contribuições do Canadá em termos de hardware para a missão JWST por meio do instrumento NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph), construído para a missão pela Agência Espacial Canadense em parceria com a Universidade de Montreal, o Centro Herzberg de Astronomia e Astrofísica do Conselho Nacional de Pesquisa e a Honeywell. Em contrapartida, os astrônomos canadenses receberam um valioso tempo de observação garantido no JWST, incluindo os dados que possibilitaram este estudo.
Construindo galáxias de dentro para fora.
A resolução espacial excepcional do JWST permitiu aos pesquisadores criar mapas detalhados da massa estelar e da atividade de formação estelar em cada galáxia. Esses mapas mostram onde as estrelas já estavam presentes e onde novas estrelas estavam se formando 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 galáxias gêmeas da Via Láctea são dominadas por regiões centrais densas e compactas. Com o tempo, suas partes externas — as regiões que mais tarde se tornarão o disco — ganham massa rapidamente e se tornam os principais locais de formação estelar. Essa expansão gradual para fora cria as estruturas espirais extensas que vemos nas galáxias atuais.
"Os astrônomos vêm modelando a formação da Via Láctea e de outras galáxias espirais há décadas", diz o autor principal, Tan. "É incrível que, com o JWST, possamos testar seus modelos e mapear como os progenitores da Via Láctea crescem junto com o próprio universo."
Adolescência turbulenta
Os resultados mais empolgantes do estudo também revelam que galáxias jovens semelhantes à Via Láctea viveram em condições muito mais caóticas do que suas contrapartes mais antigas e evoluídas. Os sistemas mais jovens e distantes apresentam formas altamente perturbadas , características assimétricas e evidências de frequentes interações e fusões entre galáxias. Essas perturbações são assinaturas de um ambiente dinâmico onde as galáxias colidiam constantemente, acumulando material e desencadeando intensos surtos de formação estelar.
Em contraste, as galáxias gêmeas da Via Láctea em tempos cósmicos posteriores parecem muito mais estáveis e ordenadas. Suas estruturas são mais suaves, a formação estelar é mais uniformemente distribuída e os sinais de grandes interações tornam-se muito menos comuns. No geral, elas apontam para um passado mais caótico para a nossa galáxia do que esperávamos.
Comparando observações e simulações
Tan e seus colaboradores compararam suas observações com simulações computacionais de última geração que rastreiam a evolução de galáxias semelhantes à Via Láctea. As simulações concordam, em linhas gerais, com o crescimento de dentro para fora observado e com a atividade inicial aglomerada, impulsionada por fusões. No entanto, por vezes, elas não conseguem reproduzir a alta compactação central observada nas galáxias mais antigas e subestimam a rapidez com que a massa se acumula nas regiões externas entre 8 e 11 bilhões de anos atrás.
Essas diferenças impõem restrições importantes aos modelos de feedback, taxas de fusão e formação de discos, e destacam a necessidade de refinar as previsões teóricas na era do JWST.
Com base nas primeiras ideias de Webb,
Este estudo marca um marco significativo para a crescente liderança do Canadá na pesquisa de galáxias com o JWST. Com o NIRISS e o CANUCS continuando a fornecer dados excepcionalmente profundos e de alta resolução, os astrônomos recorrerão a amostras ainda maiores de sistemas semelhantes à Via Láctea e estenderão suas análises para incluir conteúdo de gás, poeira e estrutura cinemática.
"Este estudo representa um avanço significativo na compreensão dos estágios iniciais da formação da nossa galáxia", afirma Muzzin, coautor do estudo. "No entanto, esta ainda não é a profundidade máxima que alcançamos com o telescópio. Nos próximos anos, com a combinação do JWST e das lentes gravitacionais , poderemos passar da observação de galáxias gêmeas da Via Láctea com 10% da sua idade atual para quando elas tiverem apenas 3% da sua idade atual, verdadeiramente os estágios embrionários da sua formação."
Outros coautores da Universidade de York são Ghassan Sarrouh, Visal Sok, Naadiyah Jagga e Westley Brown. Outros coautores incluem pesquisadores da Universidade de Toronto, da Universidade de Ljubljana, da Universidade de Saint Mary's, da Universidade de Kyoto, da Universidade de Groningen, da Universidade de Columbia, do Wellesley College, do Space Telescope Science Institute e do Centro de Pesquisa em Astronomia e Astrofísica Herzberg do Conselho Nacional de Pesquisa.
Esta equipe e diversas outras equipes internacionais já têm observações futuras programadas com o JWST para esse fim. Combinadas com simulações atualizadas, elas ajudarão a determinar com precisão quando galáxias como a nossa Via Láctea se estabilizam em discos estáveis, quanto tempo duram as fases turbulentas e quais processos físicos impulsionam a transição entre elas. Ao expandir este trabalho, a equipe pretende construir uma imagem cada vez mais completa de como galáxias como a nossa formaram suas estrelas e evoluíram desde o início do universo até os dias atuais.
Phys.org
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