Esta imagem do instrumento NIRCam (Near-Infrared Camera) de Webb mostra uma parte do campo GOODS-Norte de galáxias. No canto inferior direito, um recorte destaca a galáxia GN-z11, que é vista apenas 430 milhões de anos após o Big Bang. A imagem revela uma componente estendida, traçando a galáxia hospedeira GN-z11, e uma fonte central e compacta cujas cores são consistentes com as de um disco de acreção que rodeia um buraco negro. Crédito:NASA, ESA, CSA, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), M. Rieke (Universidade do Arizona), D. Eisenstein (CfA), CC BY 4.0 Licença padrão INT ou ESA Olhando profundamente no espaço e no tempo, duas equipas, utilizando o Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA, estudaram a galáxia excepcionalmente luminosa GN-z11, que existia quando o nosso universo de 13,8 mil milhões de anos tinha apenas cerca de 430 milhões de anos.
Cumprindo a sua promessa de transformar a nossa compreensão do universo primitivo, o Telescópio Espacial James Webb está a sondar galáxias perto do início dos tempos. Uma delas é a galáxia excepcionalmente luminosa GN-z11, que existia quando o universo tinha apenas uma pequena fração da sua idade atual. Detectada inicialmente com o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA, é uma das galáxias mais jovens e distantes já observadas, e também uma das mais enigmáticas. Por que é tão brilhante? Webb parece ter encontrado a resposta.
Uma equipa que estuda GN-z11 com Webb encontrou a primeira evidência clara de que a galáxia alberga um buraco negro supermassivo central que está a acumular matéria rapidamente. A sua descoberta torna este o buraco negro supermassivo ativo mais distante descoberto até à data.
“Encontramos gás extremamente denso que é comum nas proximidades de buracos negros supermassivos que acumulam gás”, explicou o investigador principal Roberto Maiolino do Laboratório Cavendish e do Instituto Kavli de Cosmologia da Universidade de Cambridge, no Reino Unido. "Estas foram as primeiras assinaturas claras de que GN-z11 hospeda um buraco negro que devora matéria." Este gráfico de duas partes mostra evidências de um aglomerado gasoso de hélio no halo que circunda a galáxia GN-z11. Na parte superior, na extrema direita, uma pequena caixa identifica GN-z11 num campo de galáxias. A caixa do meio mostra uma imagem ampliada da galáxia. A caixa na extrema esquerda exibe um mapa do gás hélio no halo do GN-z11, incluindo um aglomerado que não aparece nas cores infravermelhas mostradas no painel central. Na metade inferior do gráfico, um espectro mostra a “impressão digital” distinta do hélio no halo. O espectro completo não mostra qualquer evidência de outros elementos e, portanto, sugere que o aglomerado de hélio deve ser bastante primitivo, feito quase inteiramente de hidrogénio e gás hélio que sobraram do Big Bang, sem muita contaminação por elementos mais pesados produzidos pelas estrelas. A teoria e as simulações na vizinhança de galáxias particularmente massivas destas épocas prevêem que deveria haver bolsas de gás primitivo sobrevivendo no halo, e estas podem entrar em colapso e formar aglomerados estelares de População III. Crédito:NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), CC BY 4.0 INT ou Licença Padrão ESA Usando Webb, a equipe também encontrou indicações de elementos químicos ionizados normalmente observados perto de buracos negros supermassivos em acreção. Além disso, eles descobriram que a galáxia está expelindo um vento muito poderoso. Esses ventos de alta velocidade são normalmente impulsionados por processos associados à acreção vigorosa de buracos negros supermassivos.
"A NIRCam (Near-Infrared Camera) de Webb revelou um componente estendido, rastreando a galáxia hospedeira, e uma fonte central e compacta cujas cores são consistentes com as de um disco de acreção em torno de um buraco negro", disse a investigadora Hannah Übler, também do Laboratório Cavendish e Instituto Kavli.
Juntas, essas evidências mostram que GN-z11 hospeda um buraco negro supermassivo com dois milhões de massas solares em uma fase muito ativa de consumo de matéria, e é por isso que é tão luminoso.
Uma segunda equipe, também liderada por Maiolino, usou o NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) de Webb para encontrar um aglomerado gasoso de hélio no halo que circunda o GN-z11. Esta imagem do campo GOODS-North, capturada pela câmera de infravermelho próximo (NIRCam) de Webb, mostra setas de bússola, uma barra de escala e uma chave colorida para referência. As setas norte e leste da bússola mostram a orientação da imagem no céu. Observe que a relação entre norte e leste no céu (visto de baixo) é invertida em relação às setas de direção em um mapa do solo (visto de cima). A barra de escala é rotulada em distância angular no céu, onde um segundo de arco equivale a um 3600º de grau. A barra de escala tem 60 segundos de arco de comprimento. Esta imagem mostra comprimentos de onda de luz invisíveis no infravermelho próximo que foram traduzidos em cores de luz visível. A legenda colorida mostra quais filtros NIRCam foram usados na coleta da luz. A cor do nome de cada filtro é a cor da luz visível usada para representar a luz infravermelha que passa por esse filtro. Crédito:NASA, ESA, CSA, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), M. Rieke (Universidade do Arizona), D. Eisenstein (CfA), CC BY 4.0 Licença padrão INT ou ESA "O facto de não vermos mais nada para além do hélio sugere que este aglomerado deve ser bastante imaculado," disse Roberto. "Isto é algo que era esperado pela teoria e pelas simulações nas proximidades de galáxias particularmente massivas destas épocas - que deveria haver bolsas de gás primitivo sobrevivendo no halo, e estas podem entrar em colapso e formar aglomerados estelares de População III."
Encontrar as até agora inéditas estrelas da População III – a primeira geração de estrelas formadas quase inteiramente a partir de hidrogénio e hélio – é um dos objetivos mais importantes da astrofísica moderna. Espera-se que essas estrelas sejam muito massivas, muito luminosas e muito quentes. Sua assinatura seria a presença de hélio ionizado e a ausência de elementos químicos mais pesados que o hélio.
A formação das primeiras estrelas e galáxias marca uma mudança fundamental na história cósmica, durante a qual o universo evoluiu de um estado escuro e relativamente simples para o ambiente altamente estruturado e complexo que vemos hoje.
Em futuras observações do Webb, Roberto, Hannah e a sua equipa irão explorar GN-z11 em maior profundidade e esperam fortalecer o caso das estrelas de População III que podem estar a formar-se no seu halo.
A pesquisa sobre o aglomerado de gás primitivo no halo do GN-z11 foi aceita para publicação na Astronomy &Astrophysics e está atualmente disponível no arXiv servidor de pré-impressão. Os resultados do estudo do buraco negro GN-z11 foram publicados na revista Nature em 17 de janeiro de 2024.
Mais informações: Roberto Maiolino et al, JWST-JADES. Possíveis assinaturas da População III em z=10,6 no halo de GN-z11, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2306.00953 Informações do diário: Astronomia e Astrofísica , arXiv , Natureza
