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Por que as galáxias eram tão ativas no universo primitivo? Podemos estar chegando perto da resposta
Em sua infância, o universo passou por uma espécie de crise de identidade.
Durante as primeiras centenas de milhões de anos, o vasto gás cósmico entre galáxias foi principalmente um assunto frio e denso. Mas então, pareceu acordar, decidindo ficar todo aquecido e confuso.
Esta estranha mudança na disposição inicial do cosmos é uma pista crucial de como as primeiras galáxias explodiu em existência, moldando tudo o que vemos hoje. O universo primitivo, um mero sussurro depois o Big Bangcom apenas algumas centenas de milhões de anos – foi quando as primeiras estrelas e galáxias começaram a piscar, como luzes de fadas numa escuridão cósmica.
O combustível para toda esta grande produção: gigantescas nuvens de gás, principalmente hidrogénio. Os astrónomos sempre suspeitaram que estas galáxias bebés estavam ocupadas, mas novos vislumbres do Telescópio Espacial James Webb estão mostrando que eles são ainda mais brilhantes e maiores do que nossos sonhos mais loucos. É como encontrar adolescentes sentados numa turma de jardim de infância, muito à frente do desenvolvimento esperado.
Esta precocidade cósmica significa que os nossos modelos existentes de como as galáxias se formam podem precisar de um sério ajuste. Achávamos que tínhamos um bom controle sobre como o gás cai matéria escura halos, esfria e depois se inflama estrelas. Mas os dados do JWST sugerem um frenesi de formação de estrelas muito mais agressivo e em ritmo mais rápido naqueles primeiros dias. A questão é: como é que estas jovens galáxias conseguiram gerir tão rapidamente um negócio tão próspero?
Para desvendar este mistério, Umberto Maio do INAF-Instituto Nacional Italiano de Astrofísica e do Instituto de Física Fundamental do Universo, trabalhando com Céline Péroux no Observatório Europeu do Suldecidiu mergulhar no cosmos virtual. Eles criaram simulações de computador incrivelmente detalhadas, uma espécie de máquina do tempo cósmica chamada ColdSIM, para retroceder o relógio e observar como o gás se comportou nos primeiros bilhões de anos após o Big Bang. Seu objetivo era fazer previsões sobre o início do universo orçamento bárion – essa é a folha de contabilidade de toda a matéria “normal”, a matéria de que são feitas as estrelas e os planetas, e onde ela foi parar.
O que eles encontraram foi um universo em fluxo. Antes de um momento crucial chamado época da reionização – quando o universo finalmente tornou-se transparente à luz ultravioleta – o gás era de fato quase todo frio. Era o ambiente denso e perfeito para a formação de estrelas. Mas à medida que a formação de estrelas realmente aumentou e a intensa luz ultravioleta começou a circular, as coisas mudaram. As simulações mostraram que o gás mudou rapidamente, tornando-se dominado por uma fase quente e menos densa. É como se o universo tivesse passado de uma manhã tranquila e fresca para uma tarde movimentada e ensolarada, com toda aquela energia de novas estrelas e radiação aquecendo as coisas.
Esta não foi apenas uma pequena mudança de temperatura. Alterou fundamentalmente o ritmo da evolução da galáxia. As simulações inteligentes da equipa traçaram a viagem de vários tipos de gás, evitando cuidadosamente os atalhos habituais nos modelos que muitas vezes podem levar a respostas confusas. Eles descobriram algumas coisas reveladoras sobre como essas galáxias bebês se uniram.
Para começar, a fração de retorno estelar foi surpreendentemente baixa. Esta é a quantidade de material que as estrelas ejetam de volta para o gás circundante quando eles morreremessencialmente reciclando combustível para a próxima geração de estrelas. Parece que no início do Universo as estrelas eram menos eficientes nesta reciclagem. Quantidades menores de material estelar antigo retornaram ao gás, o que significa que novas estrelas se formaram em grande parte a partir de gás fresco e puro que caía constantemente do teia cósmica. É um pouco como um canteiro de obras que continua recebendo novos materiais, em vez de reutilizar muitos dos edifícios demolidos.
Mas mesmo com menos reciclagem, estas galáxias queimavam o seu gás a um ritmo surpreendente. Maio e Péroux descobriram que os tempos de esgotamento — o tempo que uma galáxia levaria para converter todo o seu gás em estrelas ao ritmo atual — eram incrivelmente curtos. Muito mais curto do que vemos nas galáxias hoje. Isto significa que as primeiras galáxias eram verdadeiras máquinas formadoras de estrelas, engolindo gás e cuspindo estrelas com uma intensidade furiosa. Ele pinta um quadro de galáxias bebês fazendo uma grande birra, formando estrelas furiosamente com cada pedaço de gás disponível.
Então, por que isso importa? Porque reescreve uma parte da nossa história de origem cósmica. As nossas previsões iniciais para estas galáxias primitivas, baseadas em observações de galáxias posteriores e mais maduras, simplesmente não captavam esta imagem dinâmica e em rápida evolução. Acontece que você não pode simplesmente pegar o que sabe sobre galáxias de meia-idade e aplicá-lo à sua juventude energética. Os processos físicos, desde a dinâmica dos gases até ao feedback estelar, são demasiado diferentes quando o próprio Universo é tão jovem e compacto.
É claro que esta história de detetive cósmica está longe de terminar. As simulações numéricas são poderosas, mas estão sempre lutando contra a enorme complexidade do universo. Modelando tudo, desde a intrincada estrutura multifásica do gás até os poderosos ventos soprados por estrelas massivas e buracos negros é um enorme desafio. Ainda existem grandes incertezas, como a função exata da massa inicial das estrelas (quantas estrelas grandes e estrelas pequenas nascem) e a quantidade precisa de “metais” necessários para iniciar o resfriamento. Nossos modelos ainda têm muito espaço para crescer.
Mas a boa notícia é que estamos munidos de ferramentas cada vez mais poderosas. O Telescópio Espacial James Webb está por aí, fornecendo-nos imagens cada vez mais nítidas dessas galáxias antigas e distantes. E descendo pelo oleoduto estão os radiotelescópios da próxima geração, como o Matriz de Quilômetros Quadrados (SKA), que nos permitirá observar ainda mais profundamente os reservatórios de gás frio destas primeiras galáxias. Estes novos olhos sobre o céu dar-nos-ão os dados cruciais do mundo real necessários para testar estas novas previsões teóricas, ajudando-nos a refinar os nossos modelos e a pintar uma imagem ainda mais clara do caótico, mas belo, início do Universo.
A jornada para compreender como o universo se construiu, uma galáxia de cada vez, ainda está se desenrolando diante de nós.
