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A detecção mais precoce de metais desafia o que sabemos sobre as primeiras galáxias

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Jun 8, 2024
Imagem de campo profundo do JWST Crédito: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Sa

Imagem de campo profundo do JWST

Os astrónomos detectaram carbono numa galáxia apenas 350 milhões de anos após o Big Bang, a primeira detecção de qualquer elemento no Universo que não seja o hidrogénio.

Usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST), uma equipe internacional de astrônomos liderada pela Universidade de Cambridge observou uma galáxia muito jovem no universo primitivo e descobriu que ela continha quantidades surpreendentes de carbono, uma das sementes da vida como a conhecemos. .

Na astronomia, os elementos mais pesados ​​que o hidrogênio ou o hélio são classificados como metais. O universo primitivo era quase inteiramente composto de hidrogênio, o mais simples dos elementos, com pequenas quantidades de hélio e pequenas quantidades de lítio.

Todos os outros elementos que constituem o universo que observamos hoje foram formados dentro de uma estrela. Quando as estrelas explodem como supernovas, os elementos que produzem circulam por toda a sua galáxia hospedeira, semeando a próxima geração de estrelas. A cada nova geração de estrelas e de “poeira estelar”, formam-se mais metais e, após milhares de milhões de anos, o Universo evolui até um ponto em que pode suportar planetas rochosos como a Terra e vida como a nossa.

A capacidade de rastrear a origem e a evolução dos metais nos ajudará a entender como passamos de um universo feito quase inteiramente de apenas dois elementos químicos, para a incrível complexidade que vemos hoje.

“As primeiras estrelas são o Santo Graal da evolução química”, disse o autor principal, Dr. Francesco D’Eugenio, do Instituto Kavli de Cosmologia em Cambridge. “Como são feitos apenas de elementos primordiais, eles se comportam de maneira muito diferente das estrelas modernas. Ao estudar como e quando os primeiros metais se formaram dentro das estrelas, podemos definir um prazo para os primeiros passos no caminho que levou à formação da vida .”

O carbono é um elemento fundamental na evolução do universo, uma vez que pode formar grãos de poeira que se aglomeram, formando eventualmente os primeiros planetesimais e os primeiros planetas. O carbono também é fundamental para a formação da vida na Terra.

“Pesquisas anteriores sugeriam que o carbono começou a formar-se em grandes quantidades relativamente tarde – cerca de mil milhões de anos após o Big Bang”, disse o co-autor Professor Roberto Maiolino, também do Instituto Kavli. “Mas descobrimos que o carbono se formou muito antes – pode até ser o metal mais antigo de todos”.

A equipa utilizou o JWST para observar uma galáxia muito distante – uma das galáxias mais distantes já observadas – apenas 350 milhões de anos após o Big Bang, há mais de 13 mil milhões de anos. Esta galáxia é compacta e de baixa massa – cerca de 100.000 vezes menos massiva que a Via Láctea.

“É apenas um embrião de uma galáxia quando a observamos, mas pode evoluir para algo bastante grande, mais ou menos do tamanho da Via Láctea”, disse D’Eugenio. “Mas para uma galáxia tão jovem, é bastante massiva.”

Os pesquisadores usaram o Espectrógrafo de Infravermelho Próximo (NIRSpec) de Webb para decompor a luz proveniente da jovem galáxia em um espectro de cores. Diferentes elementos deixam diferentes impressões químicas no espectro da galáxia, permitindo à equipe determinar a sua composição química. A análise deste espectro mostrou uma detecção confiável de carbono e detecções provisórias de oxigênio e néon, embora sejam necessárias mais observações para confirmar a presença desses outros elementos.

“Ficámos surpreendidos ao ver carbono tão cedo no Universo, uma vez que se pensava que as primeiras estrelas produziam muito mais oxigénio do que carbono”, disse Maiolino. “Pensávamos que o carbono tinha sido enriquecido muito mais tarde, através de processos completamente diferentes, mas o facto de ter surgido tão cedo diz-nos que as primeiras estrelas podem ter funcionado de forma muito diferente.”

De acordo com alguns modelos, quando as primeiras estrelas explodiram como supernovas, podem ter libertado menos energia do que inicialmente esperado. Neste caso, o carbono, que estava na camada externa das estrelas e estava menos ligado gravitacionalmente que o oxigênio, poderia ter escapado mais facilmente e se espalhado por toda a galáxia, enquanto uma grande quantidade de oxigênio caiu para trás e entrou em colapso em um buraco negro.

“Estas observações dizem-nos que o carbono pode ser enriquecido rapidamente no início do Universo,” disse D’Eugenio. “E como o carbono é fundamental para a vida como a conhecemos, não é necessariamente verdade que a vida deva ter evoluído muito mais tarde no universo. Talvez a vida tenha surgido muito antes – embora, se houver vida em outras partes do universo, ela possa ter evoluído de forma muito diferente do que aconteceu aqui na Terra.”

Os resultados foram aceitos para publicação na revista Astronomia e Astrofísica e são baseados em dados obtidos no JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES).

A pesquisa foi apoiada em parte pelo Conselho Europeu de Pesquisa, pela Royal Society e pelo Conselho de Instalações Científicas e Tecnológicas (STFC), parte da Pesquisa e Inovação do Reino Unido (UKRI).

Referência:
Francesco D’Eugenio et al. ‘JADES: Enriquecimento de carbono 350 milhões de anos após o Big Bang.’ Astronomia e Astrofísica (no prelo). DOI: 10.48550/arXiv.2311.09908

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