Novo estudo sobre aglomerados estelares gigantes e a reionização com o Telescópio Espacial James Webb e o Hubble

No começo, o universo parecia um lugar caótico: quente, escuro e cheio de partículas soltas indo para todos os lados. Com o tempo, porém, tudo esfriou.

Nesse resfriamento, elétrons e prótons começaram a se juntar, a luz passou a ter dificuldade para atravessar o espaço e o cosmos entrou num estado “neutro”. Só que essa calmaria não durou.

Em algum momento, uma fonte poderosa espalhou energia suficiente pelo universo para separar novamente muitas dessas partículas. Os astrônomos chamam esse episódio de reionização - e, por anos, discutiram o que teria sido capaz de provocá-lo.

Um novo estudo aponta com força para uma resposta: aglomerados estelares gigantes, recém-nascidos, que conseguiram atravessar nuvens densas de gás muito antes do esperado.

Para chegar a isso, os pesquisadores combinaram observações do Telescópio Espacial James Webb com o Telescópio Espacial Hubble, analisando milhares de aglomerados jovens em galáxias próximas.

O trabalho deu aos astrônomos uma das visões mais nítidas até hoje de uma fase breve: logo após o nascimento das estrelas, quando elas ainda estão escondidas dentro de nuvens espessas de gás e poeira. Essa etapa “oculta” pode ter sido crucial para remodelar o universo primitivo.

Violent beginnings for young stars

Novas estrelas surgem quando enormes nuvens de gás colapsam sob a força da gravidade. À medida que mais estrelas se acendem dentro dessas nuvens, o ambiente fica turbulento rapidamente.

Estrelas massivas liberam ventos estelares intensos, radiação ultravioleta e, mais tarde, explosões de supernovas. Essas forças empurram o gás ao redor para longe e impedem que mais estrelas se formem nas proximidades.

Os astrônomos chamam esse conjunto de efeitos de feedback estelar.

Por décadas, cientistas tentaram entender com precisão em quanto tempo aglomerados estelares jovens conseguem varrer as nuvens que os geraram. Essa resposta ajuda a explicar como as galáxias evoluem e como o universo primordial passou pela reionização.

A clue to cosmic reionization

A pesquisa envolveu uma equipe internacional liderada por cientistas da Universidade de Estocolmo e do Oskar Klein Center. A professora distinguida Daniela Calzetti, da University of Massachusetts Amherst, foi uma das coautoras.

“À medida que o universo começou a esfriar após o Big Bang, todos os elétrons e prótons que estavam espalhados por toda parte passaram a se encontrar e se ligar, até que o universo assumiu uma carga neutra”, disse ela.

Mais tarde, uma grande explosão de energia separou prótons e elétrons entre as galáxias em um evento conhecido como reionização.

Há muito tempo, astrônomos tentam identificar o que gerou a energia por trás dessa transformação.

Webb and Hubble finally crack the cloud

Astrônomos estudam há décadas regiões de formação estelar relativamente próximas dentro da Via Láctea, mas a posição da Terra dentro da galáxia bloqueia boa parte da visão. Ao observar outras galáxias, os cientistas conseguem acessar milhares de aglomerados em diferentes fases da vida.

Isso se tornou viável graças aos instrumentos infravermelhos do Webb, capazes de enxergar através de cortinas grossas de gás e poeira. O Hubble completou o quadro ao registrar luz ultravioleta e visível.

Juntos, os telescópios permitiram examinar quase 9.000 aglomerados estelares em quatro galáxias próximas: Messier 51, Messier 83, NGC 628 e NGC 4449.

Alguns aglomerados ainda estavam profundamente enterrados no gás. Outros já tinham limpado parte do entorno. E alguns estavam totalmente expostos.

A equipe encontrou um padrão bem marcado: aglomerados mais massivos escapam das nuvens de nascimento muito mais rápido do que os menores.

Os maiores se libertaram depois de cerca de 5 milhões de anos. Já os menores permaneceram envolvidos em gás por aproximadamente 7 a 8 milhões de anos antes de emergir.

Essa diferença pode parecer pequena, mas em astronomia ela muda tudo.

Why giant star clusters matter

A formação de aglomerados estelares muito massivos provavelmente ajudou a impulsionar a reionização do universo.

Os pesquisadores observaram que os aglomerados mais massivos podem sair de suas nuvens natais em apenas 5 milhões de anos, o que lhes dá tempo suficiente para produzir os fótons necessários à reionização do universo.

Estrelas massivas, por natureza, emitem enormes quantidades de radiação ultravioleta. Se o gás ao redor é removido rapidamente, essa energia consegue escapar para o espaço muito mais cedo.

Isso pode explicar como o universo deixou de ser um lugar neutro e pouco luminoso para se tornar o cosmos brilhante e estruturado que vemos hoje.

As conclusões também podem aprimorar modelos computacionais sobre a evolução das galáxias.

“Simulações de formação estelar e feedback estelar têm tido dificuldade em reproduzir como os aglomerados se formam e emergem das nuvens natais”, afirmou Angela Adamo, autora principal do estudo e pesquisadora responsável pelo FEAST. “Esses resultados trazem novas restrições importantes para esse processo.”

Planet formation under pressure

Os resultados não impactam apenas teorias sobre galáxias. Eles também podem mudar a forma como cientistas pensam a formação de planetas.

Estrelas jovens costumam ser cercadas por discos giratórios de gás e poeira, chamados de discos protoplanetários. Com o tempo, esses discos dão origem a planetas.

Mas, se estrelas massivas próximas removerem o gás cedo demais e inundarem a região com radiação ultravioleta, a formação planetária pode ser interrompida logo no início. Isso significa que alguns sistemas estelares podem perder a matéria-prima necessária para formar planetas grandes.

Webb peers into stellar nurseries

“Este trabalho reúne pesquisadores que simulam a formação estelar e aqueles que trabalham com observações, além de grupos que estudam a formação de planetas”, disse Alex Pedrini.

“Com o Webb, podemos olhar para dentro dos berçários de aglomerados estelares e conectar a formação de planetas ao ciclo de formação estelar e ao feedback estelar.”

O Telescópio Espacial James Webb foi projetado para olhar profundamente na história cósmica - e estudos como este mostram por que a comunidade científica estava tão ansiosa pelo seu lançamento.

O Webb não está apenas encontrando galáxias distantes. Ele também revela processos escondidos que moldaram o universo muito antes de a Terra existir.

O estudo completo foi publicado na revista Nature Astronomy.