Galáxias Gigantes no Universo Primitivo: Como Elas Se Formaram 1,4 Bilhão de Anos Após o Big Bang

Galáxias gigantes no universo primitivo: um mistério que desafia a ciência

Quando o Telescópio Espacial Hubble realizou seus famosos estudos de campo profundo, ele revelou algo que intrigou os astrônomos por décadas: o universo jovem já abrigava galáxias enormes. Esse enigma se aprofundou ainda mais com o lançamento do Telescópio Espacial James Webb (JWST), que identificou galáxias brilhantes existindo em épocas ainda mais remotas. Como estruturas tão massivas e evoluídas podiam existir tão pouco tempo após o Big Bang?A resposta pode estar em um protocluster de galáxias chamado SPT2349-56, observado apenas 1,4 bilhão de anos após o Big Bang. Uma equipe internacional liderada pelo Instituto Max Planck de Radioastronomia (MPIfR) usou dados do poderoso radiotelescópio ALMA (Atacama Large Millimeter-submillimeter Array) para investigar o coração desse sistema. O que encontraram foi surpreendente.

O que é um protocluster de galáxias?

Imagine um bairro em construção: as casas ainda estão sendo erguidas, as ruas não foram asfaltadas, mas já dá para perceber que ali vai surgir uma grande cidade. Um protocluster de galáxias funciona de forma parecida. É uma região do universo onde dezenas de galáxias jovens estão se agrupando, interagindo e se fundindo, antes de se tornarem um grande aglomerado galáctico maduro.O SPT2349-56 é um dos protoclusters mais extremos já observados. Ele detém o recorde de maior taxa de formação estelar no universo primitivo, produzindo estrelas a uma velocidade espantosa: uma nova estrela a cada 40 minutos. Para comparar, nossa Via Láctea leva um ano inteiro para formar apenas um punhado de estrelas.

A descoberta: galáxias se fundindo em velocidade recorde

Usando o ALMA, os pesquisadores observaram o gás frio e a poeira no centro do protocluster, a matéria-prima para a formação de novas estrelas. Ali, eles identificaram quatro galáxias em intensa interação, ejetando enormes braços de gás ionizado a velocidades de cerca de 300 km/s (o equivalente a 186 milhas por segundo). Esses braços se estendem por uma área muito maior do que a Via Láctea inteira.No comprimento de onda submilimétrico, o brilho dessas estruturas foi amplificado dez vezes por ondas de choque aquecidas, que excitaram os átomos de carbono ionizado nas nuvens de gás. Essa emissão intensa permitiu aos cientistas medir com precisão o movimento do gás nessa espiral ejetada gravitacionalmente, que se assemelhava a contas em um fio circundando o núcleo do protocluster.Para a surpresa dos pesquisadores, os fragmentos de detritos tidais se conectavam a uma cadeia de 20 galáxias adicionais em colisão nas partes externas da estrutura em colapso. Isso sugere uma origem comum e indica que estamos testemunhando, pela primeira vez, o início de uma transformação em cascata por fusões.

Como galáxias elípticas gigantes se formam tão rapidamente?

Segundo os modelos cosmológicos tradicionais, galáxias crescem de forma lenta e hierárquica: pequenas estruturas se fundem ao longo de bilhões de anos para formar estruturas maiores. Mas as observações do SPT2349-56 sugerem um caminho completamente diferente.Nikolaus Sulzenauer, pesquisador de doutorado no MPIfR e Universidade de Bonn e autor principal do estudo, explicou: Em vez de acumular massa lentamente ao longo de 14 bilhões de anos, uma galáxia elíptica massiva pode emergir rapidamente em apenas algumas centenas de milhões de anos. Ela pode se formar através do colapso e coalescência de uma grande estrutura primordial, no tempo que o Sol leva para orbitar uma vez ao redor do centro da Via Láctea.Em termos simples: em vez de construir uma cidade tijolo por tijolo ao longo de séculos, imagine que todos os tijolos caem juntos de uma vez e formam a cidade em questão de meses. Esse é o processo que os cientistas acreditam ter ocorrido no SPT2349-56.A maioria das 40 galáxias ricas em gás presentes no núcleo desse protocluster será destruída e se transformará em uma única galáxia elíptica gigante em menos de 300 milhões de anos, um mero piscar de olhos na escala cósmica.

O papel do ALMA e das simulações numéricas

A equipe contou com o apoio de simulações numéricas detalhadas realizadas por dois estudantes de graduação da Universidade da Colúmbia Britânica. Essas simulações corresponderam às observações do ALMA com estudos anteriores de aglomerados de galáxias mais antigos, indicando que fusões simultâneas em larga escala ocorreram ao longo de toda a história cósmica.As descobertas também podem ajudar a explicar como elementos mais pesados, como o carbono — um dos blocos fundamentais da química orgânica e da vida — são aquecidos e transportados pelos primeiros aglomerados de galáxias. O carbono detectado nessas nuvens de gás ionizado é o mesmo elemento que compõe moléculas essenciais para a vida como a conhecemos.

Por que isso importa para a ciência?

Scott Chapman, pesquisador da Universidade Dalhousie e coautor do estudo, resumiu bem a importância da descoberta: Embora nossas descobertas ofereçam novos e empolgantes insights sobre a rápida formação de galáxias elípticas, as diversas interações entre os choques de fusão, o aquecimento do gás pelo crescimento de buracos negros supermassivos e seus efeitos no combustível para a formação de estrelas ainda são grandes mistérios. Pode ser cedo demais para afirmar uma compreensão completa da infância das galáxias elípticas gigantes, mas avançamos muito ao conectar os detritos tidais nos protoclusters ao processo de formação das galáxias massivas nos aglomerados de hoje.O estudo, intitulado “A massive core for a cluster of galaxies at a redshift of 4.3”, foi publicado na renomada revista científica Nature. Ele representa um passo significativo para entender como as maiores estruturas do universo se formaram tão cedo na história cósmica.E não se esqueça, mantenha sempre seus olhos no céu!

Perguntas frequentes

O que é um protocluster de galáxias?Um protocluster é uma região do universo primitivo onde dezenas de galáxias jovens estão se agrupando e se fundindo, antes de formarem um grande aglomerado galáctico maduro. É como uma cidade em construção no cosmos.Por que a descoberta do SPT2349-56 é tão importante?Porque ela mostra que galáxias elípticas gigantes podem se formar muito mais rápido do que os modelos tradicionais previam, desafiando nossa compreensão sobre a evolução do universo.O que é o ALMA e por que ele é essencial para essas pesquisas?O ALMA (Atacama Large Millimeter-submillimeter Array) é um conjunto de radiotelescópios no deserto do Atacama, no Chile. Ele detecta ondas de rádio em comprimentos de onda milimétricos, permitindo observar o gás frio e a poeira que formam estrelas no universo distante, invisíveis para telescópios ópticos comuns.