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Pesquisadores do ON e CAB identificam a origem das primeiras estruturas formadas em galáxias como a Via Láctea

Publicado em 19/10/2021 12h40 Atualizado em 19/10/2021 14h54
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Pesquisadores do Observatório Nacional (ON/MCTI) integraram uma equipe científica internacional, liderada pelo Centro de Astrobiologia (CAB), da Espanha, que descobriu a origem de algumas das estruturas galácticas mais antigas do universo.

Para isso, os cientistas estudaram as idades das estrelas e sua distribuição espacial em uma extensa amostra de galáxias massivas, usando o maior telescópio óptico e infravermelho do mundo, o Gran Telescopio Canarias (GTC), juntamente com o Telescópio espacial Hubble (HST).

O objetivo principal do estudo era caracterizar as propriedades das populações estelares das regiões das galáxias conhecidas como bojos galácticos, bem como de galáxias esferoidais puras. Com essas informações, os pesquisadores foram capazes de determinar como essas estruturas galácticas se formaram e se desenvolveram. Os resultados deste estudo foram publicados recentemente no periódico The Astrophysical Journal

Conforme ressaltou a coautora do trabalho Paola Dimauro, doutora em Astrofísica e pós-doutora no ON, este estudo permitiu explorar a evolução morfológica e a história da formação dos componentes estruturais das galáxias, como um estudo arqueológico, analisando as informações codificadas nas milhões de estrelas em cada galáxia.

“O interessante foi descobrir que nem todas as estruturas surgiram no mesmo momento, ou da mesma forma”, completou.

Dimauro tem explorado a evolução e transformação dos bojos e discos das galáxias com vários telescópios incluindo HST, J-PLUS e com os dados preliminares do levantamento astronômico hispano-brasileiro J-PAS (miniJPAS), coliderado pelo Observatório Nacional, o qual proverá resultados inéditos na área, assim que a câmera principal JPCam entrar em funcionamento.

Formação e composição das galáxias

As galáxias são sistemas compostos por bilhões e até trilhões de estrelas, além de gás e poeira presos gravitacionalmente. Esses sistemas são considerados os “tijolos” que constituem o Universo observado. 

Existem diferentes tipos morfológicos de galáxias, dependendo de suas estruturas características. A Via Láctea, por exemplo, é uma galáxia de disco, formada por quatro componentes: o núcleo central, que hospeda um buraco negro supermassivo; o bojo, de forma esferoidal e com alta densidade de estrelas; o disco, que contém a maior parte do gás e da poeira e é onde ocorre a maior parte da formação de estrelas; e, por fim, o halo, que envolve toda a galáxia, e onde há baixíssima concentração de estrelas, sendo dominado pela matéria escura.

 

Concepção artística da Via Láctea vista de perfil, onde pode-se observar o bojo central, o disco e o halo galáctico, além das bandas de poeira que obscurecem o disco

Geralmente existem estrelas jovens no disco e estrelas velhas no bojo. Por esta razão, o estudo das populações estelares dos diferentes componentes estruturais das galáxias permite desvendar os processos que deram origem às galáxias que observamos.

E foi justamente isso o que os pesquisadores fizeram no estudo recente. A equipe liderada pelo Centro de Astrobiologia, da qual participaram 18 instituições de 8 países, incluindo o ON, estudou uma amostra representativa de galáxias de disco e esferoidais (sem disco) massivas, presentes em uma área do céu distante, localizada na constelação da Ursa Maior.

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Imagens de algumas das galáxias estudadas no trabalho. A galáxia da esquerda e a central são duas galáxias de disco, enquanto a galáxia da direita é esferoidal. Créditos: Luca Costantin et al.

Para o estudo, foram utilizados dados espaciais do Hubble e dados espectrais de terra do levantamento celeste distantes altamente absorvidas SHARDS (do inglês: Survey for High-z Absorption Red and Dead Sources).

Ao analisar os dados, a equipe descobriu algo inesperado: os bojos das galáxias de disco se formaram em duas fases. A primeira ocorreu na “infância do Universo” e a segunda já em meados de sua vida.

Usando a linguagem astrofísica, cerca de um terço dos bojos nas galáxias de disco se formaram em torno de um redshift igual a 6,2. Isso corresponde a uma época quando o universo tinha apenas 7% de sua idade ou cerca de 900 milhões de anos. De acordo com Luca Costantin, pesquisador do CAB e principal autor do estudo, "esses bojos são relíquias das primeiras estruturas formadas no universo, que encontramos escondidas em galáxias de disco”.

Por outro lado, quase dois terços dos bojos observados apresentam um valor médio do redshift em torno de 1.3. Isso sugere que sua formação é bem mais recente, correspondendo a quando o universo tinha cerca de 5 bilhões de anos, ou cerca de 35% da idade do Universo. 

Uma característica peculiar que permite distinguir essas duas fases é que os bojos centrais da primeira (os mais antigos) são mais compactos e densos do que os formados na segunda fase (mais recente).

Para Jairo Méndez Abreu, pesquisador do Instituto de Astrofísica de Canárias (IAC) e coautor do estudo, “A ideia por trás da técnica de observação das estrelas dos bojos centrais é teoricamente simples, mas não foi possível aplicá-la até o recente desenvolvimento de metodologias que permitiram separar a luz proveniente das estrelas dos bojos centrais das dos discos, como os algoritmos GASP2D e C2D, que desenvolvemos recentemente. Isso nunca havia sido feito com essa precisão neste redshift”.

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Exemplo de galáxia espiral próxima, M81, onde o bojo, a parte central avermelhada e o disco, onde se vê estrelas nascendo, aparecem como regiões azuis formando espirais. Crédito: NASA / JPL-Caltech / ESA / Harvard-Smithsonian CfA.

 

Outro resultado importante do estudo é que as duas fases de formação dos bojos não se distinguem apenas em termos de idades das estrelas, mas também em termos de taxa de formação de estrelas.

De acordo com os autores, os resultados indicam que as estrelas nos bojos da primeira fase se formaram mais rapidamente, em escalas de tempo típicas de 200 milhões de anos. Em contraste, uma fração significativa das estrelas nos bojos da segunda fase precisou de 5 vezes mais tempo para se formarem, da ordem de 1 bilhão de anos.

“Descobrimos que o Universo tem duas maneiras de formar a parte central das galáxias como a nossa: ou com um início precoce e formação rápida, ou demorando para começar com subsequente formação contínua de um grande número de estrelas no que é conhecido como bojo galáctico", Comenta Pablo G. Pérez González, pesquisador do CAB e investigador principal do projeto SHARDS, que forneceu dados essenciais para este estudo.

De forma prática, os autores observam que se pode fazer um paralelismo entre a formação e evolução das galáxias de disco e a origem e desenvolvimento das grandes cidades ao longo dos séculos.

No caso, observa-se que as grandes cidades costumam ter um centro histórico, abrigando os edifícios mais antigos e com ruas estreitas. Da mesma forma, os resultados deste estudo sugerem que alguns dos bojos (centros) de galáxias de disco massivo (grandes cidades) na verdade hospedam alguns dos mais antigos objetos formados no Universo, que vêm atraindo material novo para formar discos (os novos subúrbios, na analogia) mais lentamente.

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Imagem do estudo do céu profundo do Hubble, denominado GOODS-N (Great Observatories Origins Deep Survey - North). Créditos: NASA, ESA, G. Illingworth (Universidade da Califórnia, Santa Cruz), P. Oesch (Universidade da Califórnia, Santa Cruz; Universidade de Yale), R. Bouwens e I. Labbé (Universidade de Leiden) e a equipe científica.