Não muito depois do Big Bang, as primeiras gerações de estrelas começaram a alterar a composição química das galáxias primitivas, enriquecendo lentamente o meio interestelar com elementos básicos, como oxigênio, carbono, e nitrogênio. Encontrar os primeiros vestígios desses elementos comuns lançaria uma luz importante sobre a evolução química das galáxias, incluindo o nosso.

Novas observações com o Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) revelam o desmaio, assinatura reveladora de oxigênio vindo de uma galáxia a uma distância recorde de 13,28 bilhões de anos-luz da Terra, o que significa que estamos observando este objeto como ele apareceu quando o universo tinha apenas 500 milhões de anos, ou menos de 4 por cento de sua idade atual.

Para uma galáxia tão jovem, conhecido como MACS1149-JD1, para conter traços detectáveis ​​de oxigênio, deve ter começado a forjar estrelas ainda antes:escassos 250 milhões de anos após o Big Bang. Isso ocorre excepcionalmente no início da história do universo e sugere que os ricos ambientes químicos evoluíram rapidamente.

"Fiquei emocionado ao ver o sinal do oxigênio mais distante, "explica Takuya Hashimoto, o autor principal do artigo de pesquisa publicado na revista Natureza e pesquisador da Osaka Sangyo University e do National Astronomical Observatory of Japan.

"Tão extremamente distante, galáxia extremamente jovem tem uma maturidade química notável, "disse Wei Zheng, um astrônomo da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, que liderou a descoberta desta galáxia com o Telescópio Espacial Hubble e estimou sua distância. Ele também é membro da equipe de pesquisa do ALMA. "É realmente notável que o ALMA detectou uma linha de emissão - a impressão digital de um elemento específico - a uma distância recorde."

Após o Big Bang, a composição química do universo era totalmente limitada, sem nem mesmo um traço de elementos como o oxigênio. Seriam necessárias várias gerações de nascimento de estrelas e supernovas para semear o jovem cosmos com quantidades detectáveis ​​de oxigênio, carbono, e outros elementos forjados nos corações das estrelas.

Depois que eles foram libertados de suas fornalhas estelares por supernovas, esses átomos de oxigênio chegaram ao espaço interestelar. Lá eles ficaram superaquecidos e foram ionizados pela luz e radiação de estrelas massivas. Esta quente, átomos ionizados então "brilharam" intensamente na luz infravermelha. À medida que esta luz viajava pelas vastas distâncias cósmicas até a Terra, foi esticado pela expansão do universo, eventualmente mudando para a luz distinta de comprimento de onda milimétrica que o ALMA foi projetado especificamente para detectar e estudar.

Ao medir a mudança precisa no comprimento de onda desta luz - de infravermelho para milímetro - a equipe determinou que este sinal revelador de oxigênio viajou 13,28 bilhões de anos-luz para chegar até nós, tornando-se a assinatura de oxigênio mais distante já detectada por qualquer telescópio. Esta estimativa de distância foi posteriormente confirmada por observações de hidrogênio neutro na galáxia pelo Very Large Telescope do European Southern Observatory. Essas observações verificam de forma independente que MACS1149-JD1 é a galáxia mais distante com uma medição de distância precisa.

A equipe então reconstruiu a história da formação de estrelas na galáxia usando dados infravermelhos obtidos com o Telescópio Espacial Hubble da NASA / ESA e o Telescópio Espacial Spitzer da NASA. O brilho observado da galáxia é bem explicado por um modelo em que o início da formação de estrelas ocorreu há 250 milhões de anos atrás. O modelo indica que a formação de estrelas tornou-se inativa após a ignição das primeiras estrelas. It was then revived at the epoch of the ALMA observations:500 million years after the Big Bang.

The astronomers suggest that the first burst of star formation blew the gas away from the galaxy, which would suppress the star formation for a time. The gas then fell back into the galaxy leading to the second burst of star formation. The massive newborn stars in the second burst ionized the oxygen between the stars; it is those emissions that have been detected with ALMA.

"The mature stellar population in MACS1149-JD1 implies that stars were forming back to even earlier times, beyond what we can currently see with our telescopes. This has very exciting implications for finding 'cosmic dawn' when the first galaxies emerged, " adds Nicolas Laporte, a researcher at University College London/Université de Toulouse and a member of the research team.

"I am sure that the future combination of ALMA and the James Webb Space Telescope will play an even greater role in our exploration of the first generation of stars and galaxies, "disse Zheng.

ALMA has set the record for the most distant oxygen several times. Em 2016, Akio Inoue at Osaka Sangyo University and his colleagues found the signal of oxygen at 13.1 billion light-years away with ALMA. Several months later, Nicolas Laporte of University College London used ALMA to detect oxygen at 13.2 billion light-years away. Agora, the two teams merged into one and achieved this new record. This reflects both the competitive and collaborative nature of forefront of scientific research.

"With this discovery we managed to reach the earliest phase of cosmic star formation history, " said Hashimoto. "We are eager to find oxygen in even farther parts of the universe and expand the horizon of human knowledge."

This research is presented in a paper "The onset of star formation 250 million years after the Big Bang, " by T. Hashimoto et al., aparecer no jornal Natureza .