JWST vê o começo da teia cósmica

A teia cósmica é a estrutura em grande escala do universo. Se você pudesse observar nosso universo se desdobrando desde o Big Bang até hoje, você veria esses filamentos (e os vazios entre eles) se formarem ao longo do tempo. Agora, os astrônomos usando o JWST descobriram dez galáxias que formam uma versão muito antiga dessa estrutura, apenas 830 milhões de anos após o início do universo.

A “teia cósmica” começou como flutuações de densidade no início do universo. Algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, a matéria (na forma de gás primordial) condensou-se em nós nas junções de placas e filamentos de gás na rede inicial. Esses nós e filamentos abrigaram as primeiras estrelas e galáxias. Naturalmente, quando os astrônomos olharem para trás no tempo, eles estarão procurando por versões iniciais da teia cósmica. A tecnologia JWST permitiu que eles olhassem para as coisas escuras e opacas que existiam logo após o Big Bang.

As 10 galáxias que a equipe observou se alinham em um filamento fino de três milhões de anos-luz de diâmetro, mantido unido por um quasar brilhante. Sua aparência surpreendeu a equipe com seu tamanho e lugar na história cósmica. “Esta é uma das estruturas filamentosas mais antigas que as pessoas encontraram associada a um quasar distante”, acrescentou Vig Wang, da Universidade do Arizona em Tucson, o principal investigador deste programa.

Aspire a entender o início do universo e a teia cósmica

As observações do JWST fazem parte de um programa de monitoramento chamado ASPIRE: A Spectroscopy Survey of Bias Halos in the Reionization Era. Ele usa imagens e espectros de 25 quasares que existiram no passado, quando o universo começou a clarear após a “Idade das Trevas”. A ideia é estudar a formação das galáxias mais próximas possíveis, bem como o nascimento dos primeiros buracos negros. Além disso, a equipe espera entender como o universo primitivo foi enriquecido com elementos mais pesados ​​(metais) e como tudo aconteceu durante a era da reionização.

Os objetivos ASPIRE são uma parte importante da compreensão da origem e evolução do universo. “As últimas duas décadas de pesquisa em cosmologia nos deram uma compreensão sólida de como a teia cósmica se formou e evoluiu. O ASPIRE visa entender como o surgimento dos buracos negros massivos mais antigos pode ser incorporado à nossa história atual de formação de estruturas cosmológicas”, explicou membro da equipe Joseph Henawi da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara.

Concentre-se nos primeiros buracos negros

Os quasares atraem através do tempo e do espaço. Eles são alimentados por buracos negros supermassivos que, junto com jatos poderosos, produzem quantidades incríveis de luz e outras emissões. Os astrônomos os usam como velas padrão para medições de distância, bem como uma forma de estudar as vastas regiões do espaço pelas quais a luz passa.

Pelo menos oito dos quasares do estudo ASPIRE têm buracos negros que se formaram menos de um bilhão de anos após o Big Bang. A massa desses buracos negros varia de 600 milhões a 2 bilhões de vezes a massa do Sol. Isso é realmente muito grande e levanta muitas questões sobre seu rápido crescimento. Para que esses buracos negros supermassivos se formem em tão pouco tempo, dois critérios devem ser atendidos. Primeiro, você precisa começar a crescer a partir de uma “semente” de buraco negro supermassivo. Em segundo lugar, mesmo que essa semente começasse com uma massa equivalente a mil sóis, ela ainda precisaria acumular um milhão de vezes mais matéria na taxa máxima possível ao longo de sua vida”, explicou Wang.

Para que esses buracos negros crescessem como cresceram, eles precisavam de muito combustível. Suas galáxias também eram muito massivas, o que poderia explicar os monstruosos buracos negros em seus núcleos. Esses buracos negros não apenas sugaram muito material, mas seus fluxos também afetaram a formação de estrelas. Ventos fortes de buracos negros podem impedir a formação de estrelas na galáxia hospedeira. Esses ventos foram observados no universo próximo, mas não observados diretamente na era da reionização”, disse Yang. “O tamanho do vento está relacionado à estrutura do quasar. Nas observações de Webb, vemos que tais ventos existiam no início do universo.”

Por que a idade?

Muitas vezes ouvimos sobre astrônomos querendo voltar à era da reionização. Por que é um objetivo tão intrigante? Ele oferece uma visão de uma época em que as primeiras estrelas e galáxias se formaram. Após o Big Bang, o universo infantil estava em um estado quente e denso. Às vezes ouvimos isso ser referido como a sopa do universo primordial. Depois disso, a expansão tomou conta e as coisas começaram a esfriar. Isso permitiu que elétrons e prótons se combinassem para formar os primeiros átomos de gás neutro. Também permitiu a propagação da energia térmica do Big Bang. Os astrônomos detectam essa radiação. É desviado para o vermelho na porção de micro-ondas do espectro eletromagnético. Os astrônomos chamam isso de radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB).

Este lado do universo primitivo tinha pequenas flutuações de densidade em sua matéria em expansão. Essa substância era hidrogênio neutro. Ainda não havia estrelas ou galáxias. Mas, eventualmente, essas regiões de alta densidade começaram a se agrupar sob a influência da gravidade, fazendo com que a matéria neutra começasse a se agrupar também. Isso levou a um maior colapso das regiões de alta densidade, o que acabou levando ao nascimento das primeiras estrelas. Eles aqueceram o material circundante, que abriu buracos nas zonas neutras – permitindo a passagem da luz. Essencialmente, esses buracos (ou bolhas) no gás neutro permitiram que a radiação ionizante viajasse mais longe no espaço. Era o início da era da reionização. Um bilhão de anos após o Big Bang, o universo estava completamente ionizado.

Então, como você explica os primeiros buracos negros supermassivos?

Curiosamente, as primeiras galáxias encontradas pelo JWST, juntamente com seus quasares, já estavam todas no lugar, com buracos negros supermassivos em seus núcleos. A questão principal permanece: como eles ficaram tão grandes tão rapidamente? A presença deles pode dizer aos astrônomos algo sobre “densidades extras” no universo infantil. Primeiro, a “semente” de um buraco negro precisa de uma região densa cheia de galáxias para se formar.

No entanto, até agora, as observações anteriores à descoberta do JWST encontraram apenas algumas densidades aumentadas de galáxias em torno dos buracos negros supermassivos mais antigos. Os astrônomos precisam fazer mais observações nesta era para explicar o porquê. O programa ASPIRE deve ajudar a resolver questões sobre o feedback entre a formação de galáxias e a criação de buracos negros nesta era inicial do universo. Ao longo do caminho, eles também devem ver mais fragmentos da estrutura em larga escala da teia cósmica do universo à medida que ela toma forma.

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