A análise espectral da galáxia luminosa JADES-GS-z14-0 com base em observações feitas em janeiro de 2024 revelou um desvio para o vermelho de 14.32, o que a torna a galáxia mais distante conhecida (a galáxia mais distante anterior conhecida era JADES-GS-z13-0 no desvio para o vermelho de z = 13.2). Foi formado no universo primitivo, cerca de 290 milhões de anos após o Big Bang. A grande quantidade de luz estelar implica que ela é massiva e tem mais de 1,600 anos-luz de diâmetro. Uma galáxia tão luminosa, massiva e grande no início do universo na madrugada cósmica desafia a compreensão atual da formação de galáxias. As primeiras estrelas do universo foram estrelas Pop III com metal zero ou metal extremamente baixo. No entanto, o estudo das propriedades infravermelhas da galáxia JADES-GS-z14-0 revela a presença de oxigénio, o que significa que o enriquecimento metálico implica que gerações de estrelas massivas já tinham completado o seu ciclo de vida, desde o nascimento até à explosão de supernova, há cerca de 290 milhões de anos no Universo primitivo. Assim, as propriedades desta galáxia estão em desacordo com a compreensão atual da formação de galáxias no universo primitivo.
O Universo primitivo, cerca de 380,000 anos após o Big Bang, estava cheio de gases ionizados e era totalmente opaco devido à dispersão de fotões pelos electrões livres. Isto foi seguido pela época neutra do universo primitivo, que durou cerca de 400 milhões de anos. Nesta época, o universo era neutro e transparente. A primeira luz emergiu no universo tornando-se transparente, tornou-se vermelha deslocada para a faixa de microondas devido à expansão, e agora é observada como Fundo Cósmico de Microondas (CMB). Como o universo estava cheio de gases neutros, nenhum sinal óptico foi emitido (daí o nome de idade das trevas). Os materiais não ionizados não emitem luz, daí a dificuldade no estudo do universo primitivo de época neutra. No entanto, a radiação de microondas de comprimento de onda de 21 cm (correspondente a 1420 MHz) emitida pelo hidrogênio cósmico frio e neutro durante esta época devido à transição hiperfina do spin paralelo para o spin antiparalelo mais estável oferece oportunidades aos astrônomos. Esta radiação de microondas de 21 cm seria desviada para o vermelho ao atingir a Terra e seria observada nas frequências de 200 MHz a 10 MHz como ondas de rádio. O REACH (Experimento de Rádio para Análise de Hidrogênio Cósmico) O experimento visa detectar a linha indescritível de 21 cm do Hidrogênio Cósmico.
A época da reionização foi a próxima época na história do universo primitivo, que durou cerca de 400 milhões de anos após o Big Bang até 1 bilhão de anos. Os gases tornaram-se reionizados devido às radiações UV de alta energia emitidas pelas poderosas estrelas primitivas. A formação de galáxias e quasares começou nesta época. As luzes desta época são vermelhas deslocadas para as faixas vermelha e infravermelha. Os estudos de campo profundo do Huble foram um novo começo no estudo do universo primitivo, porém seu escopo na captura de luzes primordiais era limitado. Era necessário um observatório infravermelho baseado no espaço. JWST é especializado exclusivamente em astronomia infravermelha para estudar o universo primitivo.
Telescópio espacial James Webb (JWST) foi lançado em 25 de dezembro de 2021. Posteriormente, tt foi colocado em uma órbita próxima ao ponto Lagrange Sol-Terra L2, a cerca de 1.5 milhão de km da Terra. Tornou-se totalmente operacional em julho de 2022. Usando instrumentos científicos importantes a bordo, como NIRCam (Near Infrared Camera), NIRSpec (Near Infrared Spectrograph), MIRI (Mid-Infrared Instrument), o JWST procura sinais ópticos/infravermelhos das primeiras estrelas e galáxias. formados no Universo para uma melhor compreensão da formação e evolução das galáxias e da formação de estrelas e sistemas planetários. Nos últimos dois anos, produziu resultados fascinantes na exploração da alvorada cósmica (ou seja, o período nas primeiras centenas de milhões de anos após o big bang, onde nasceram as primeiras galáxias).
Programa JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES)
Este programa tem como objetivo estudar a evolução das galáxias desde o alto desvio para o vermelho até o meio-dia cósmico por meio de imagens infravermelhas e espectroscopia nos campos profundos GOODS-S e GOODS-N.
No primeiro ano, os investigadores do JADES encontraram centenas de candidatas a galáxias dos primeiros 650 milhões de anos após o big bang. No início de 2023, eles encontraram uma galáxia em seu conjunto de dados que parecia estar com um desvio para o vermelho de 14, sugerindo que deveria ser uma galáxia extremamente distante, mas era muito brilhante. Além disso, parecia fazer parte de outra galáxia devido à proximidade. Portanto, eles observaram esse ganho em outubro de 2023. Os novos dados apoiaram que estava em um desvio para o vermelho de 14. Um espectro desta galáxia foi necessário para identificar a localização da quebra de Lyman-alfa no espectro para medir o desvio para o vermelho e determinar a idade.
Lyman-alfa é uma linha de emissão espectral de hidrogênio na série Lyman quando os elétrons fazem a transição de n=2 para n=1. O ponto de quebra de Lyman-alfa no espectro corresponde ao comprimento de onda observado (λobservado). O desvio para o vermelho (z) pode ser calculado de acordo com a fórmula z = (λobservado –λresto) /λresto
Galáxia JADES-GS-z14-0
Assim, a galáxia foi observada novamente em janeiro de 2024 usando NIRCam (Near Infrared Camera) e NIRSpec (Near Infrared Spectrograph). A análise espectral forneceu evidências claras de que a galáxia estava com um desvio para o vermelho de 14.32, tornando-a a galáxia mais distante conhecida (registro anterior da galáxia mais distante (JADES-GS-z13-0 no desvio para o vermelho de z = 13.2). Foi chamada de JADES -GS-z14-0, uma galáxia luminosa a uma distância de 13.5 bilhões de anos-luz. Além disso, tinha mais de 1,600 anos-luz de tamanho, o que sugeria que estrelas jovens são a fonte de sua luminosidade. ser muito massiva. Não se espera que uma galáxia que exista menos de 300 milhões de anos após o Big Bang tenha tais propriedades.
Havia mais surpresas reservadas.
Os pesquisadores conseguiram detectar JADES-GS-z14-0 em comprimentos de onda mais longos usando MIRI (Mid-Infrared Instrument). Isto significou capturar as emissões na faixa da luz visível desta galáxia que foram deslocadas para o vermelho para ficarem fora do alcance dos instrumentos do infravermelho próximo. A análise revelou a presença de oxigênio ionizado, implicando alta metalicidade estelar. Isto só é possível quando muitas gerações de estrelas já viveram o seu percurso de vida.
As primeiras estrelas do universo têm metal zero ou metal extremamente baixo. Elas são chamadas de estrelas Pop III ou estrelas da População III. Estrelas de baixo metal são estrelas do Pop II. Estrelas jovens têm alto teor de metal e são chamadas de “estrelas Pop I” ou estrelas solares de metal. Com uma metalicidade relativamente alta de 1.4%, o Sol é uma estrela recente. Na astronomia, qualquer elemento mais pesado que o hélio é considerado um metal. Não-metais químicos como oxigênio, nitrogênio, etc. são metais no contexto cosmológico. As estrelas ficam enriquecidas com metal em cada geração após o evento de supernova. O aumento do conteúdo de metal nas estrelas indica uma idade mais jovem.
Considerando que a idade da galáxia JADES-GS-z14-0 é inferior a 300 milhões de anos após o Big Bang, as estrelas nesta galáxia deveriam ser estrelas Pop III com conteúdo zero de metal. No entanto, o MIRI do JWST encontrou presença de oxigênio.
Tendo em conta as observações e descobertas acima, as propriedades da galáxia JADES-GS-z14-0 do universo primitivo não estão de acordo com a compreensão atual da formação de galáxias. Como poderia uma galáxia com tais características ser datada de 290 milhões de anos após o Bing Bang? É possível que muitas dessas galáxias sejam descobertas no futuro. Talvez existisse uma diversidade de galáxias na Aurora Cósmica.
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Referências:
- Carniani, S., et al. 2024. Confirmação espectroscópica de duas galáxias luminosas com um desvio para o vermelho de 14. Natureza (2024). Publicado em 24 de julho de 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 . Pré-impressão em axRiv. Enviado em 28 de maio de 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485
- Helton JM, et al 2024. Detecção fotométrica JWST/MIRI em 7.7 μm do continuum estelar e emissão nebular em uma galáxia em z>14. Pré-impressão em axRiv. Enviado em 28 de maio de 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462
- O Telescópio Espacial James Webb da NASA. Destaques iniciais – O Telescópio Espacial James Webb da NASA encontra a galáxia mais distante conhecida. Publicado em 30 de maio de 2024. Disponível em https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy
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