Espectrômetro JWST refina desvios para o vermelho de galáxias distantes

O instrumento NIRSpec no Telescópio Espacial James Webb (JWST) revelou que uma galáxia distante que se pensava estar em um desvio para o vermelho recorde de 16.4 está, na verdade, muito mais próxima da Terra. O estudo também confirmou que alguns outros objetos observados pelo JWST estão entre as galáxias mais distantes já observadas.

O redshift cosmológico é uma medida de quanto a luz de uma galáxia foi esticada para comprimentos de onda mais longos e vermelhos pela expansão do universo. Quanto maior o desvio para o vermelho, mais tempo a luz de uma galáxia deve ter passado se movendo pelo cosmos em expansão. Isso significa que vemos objetos com alto desvio para o vermelho como eram há muito tempo atrás – e que os objetos estão muito distantes.

Os astrônomos estão muito interessados ​​em estudar galáxias com alto desvio para o vermelho porque elas fornecem uma janela para o início do universo. De fato, observações recentes apóiam uma imagem emergente de que as galáxias no início do universo eram mais massivas, mais desenvolvidas e mais luminosas do que se previa anteriormente.

Várias galáxias fracas

No verão de 2022, as primeiras pesquisas profundas do JWST do universo distante revelaram várias galáxias fracas que foram estimadas como as galáxias com maior desvio para o vermelho já vistas.

Um objeto é chamado galáxia de maisie que foi descoberto nos dados do JWST por uma equipe liderada por Steve Finkelstein da Universidade do Texas em Austin. Inicialmente, pensou-se que a galáxia estava no redshift 14.3, o que a colocaria apenas 280 milhões de anos após o Big Bang. Outro candidato, CEERS-93316, encontrado por uma equipe liderada por Callum Donnan da Universidade de Edimburgo, parecia estar em um desvio para o vermelho de 16.4, o que equivale a apenas 250 milhões de anos após o Big Bang.

Para comparação, a galáxia confirmada mais distante conhecida antes do lançamento do JWST era Gn-z11, que tem um desvio para o vermelho de 11.6.

Redshifts revisados

Essas primeiras medições do JWST foram feitas usando uma técnica fotométrica, que mede a vermelhidão geral de uma galáxia. Embora essa técnica possa ser usada em objetos distantes e fracos, ela pode ser afetada pela presença de poeira e não é tão precisa quanto medir os deslocamentos de linhas espectrais individuais. Agora, uma equipe de astrônomos usou o Espectrômetro de infravermelho próximo (NIRSpec) do JWST para observar as galáxias e refinou as estimativas do desvio para o vermelho – com resultados mistos.

“Infelizmente, o candidato a redshift 16.4 [CEERS-93316] acabou sendo de baixo redshift”, diz Donnan, membro da equipe liderada por Pablo Arrabal Haro do NOIRLab no Arizona. Como os dados do NIRSpec foram imediatamente tornados públicos sem tempo de propriedade para os cientistas que propuseram as observações, a equipe de Haro teve que escrever seu artigo em menos de três dias para evitar ser derrotada.

Em vez de estar em 16.4, CEERS-93316 foi descoberto como uma galáxia empoeirada com um desvio para o vermelho de 4.9, o que significa que a vemos como existia há 12.5 bilhões de anos. A equipe de Donnan já havia pensado que tinha um forte argumento para um desvio para o vermelho recorde, particularmente porque a galáxia exibia forte emissão azul e ultravioleta em seu quadro de repouso (como aparece com o desvio para o vermelho removido).

No entanto, a combinação de linhas de emissão muito fortes, juntamente com o fato de que uma dessas linhas, do comprimento de onda hidrogênio-alfa, estava em uma posição onde três dos filtros do NIRSpec se sobrepõem, de modo que a linha de emissão contribui para todos os três, erroneamente deu a impressão que CEERS-93316 era uma galáxia intrinsecamente luminosa com um desvio para o vermelho muito maior.

galáxia de maisie

Houve notícias melhores nas apostas redshift para a Galáxia de Maisie, que revelou estar em um redshift de 11.4. Este ainda é um desvio para o vermelho muito alto e indica uma galáxia livre de poeira. A galáxia também tem uma taxa de formação de estrelas relativamente alta e uma massa estelar total de 250 milhões de vezes a massa do Sol. Essa massa cresceu durante um período de 30 a 120 milhões de anos antes da época em que vemos a Galáxia de Maisie.

Outras oito galáxias também foram mostradas pelo NIRSpec com desvios para o vermelho maiores que 10. O detentor do recorde atual é JADES-GS-z13-0, que tem um desvio para o vermelho espectroscopicamente confirmado de 13.2 e que vemos como existindo apenas 350 milhões de anos após o Big Bang.

Donnan ainda tem esperança de que o JWST será capaz de descobrir galáxias com redshifts espectroscópicos maiores que 14. “É possível, especialmente em imagens mais profundas”, diz ele Mundo da física.

Produção de poeira

Não que uma galáxia bem estudada com um desvio para o vermelho de 4.9 seja algo a ser desprezado. Estudar as propriedades das galáxias que existiam quando o universo tinha pouco mais de um bilhão de anos é crucial para entender como as galáxias se desenvolveram em termos de formação estelar. Isso pode ser inferido a partir da quantidade de poeira produzida por sucessivas gerações de estrelas – a mesma poeira que faz com que o CEERS-93316 pareça mais vermelho.

“Precisamos fazer uma análise mais detalhada das propriedades do CEERS-93316, mas parece estar empoeirado”, diz Donnan. “Precisamos examinar sua história de formação estelar se quisermos entender como ela surgiu.”

Enquanto isso, outras observações estão planejadas para as galáxias com desvio para o vermelho muito alto, como a Galáxia de Maisie, de acordo com Finkelstein, que também está envolvido no estudo do NIRSpec.

Espectroscopia mais profunda

“O próximo passo é definitivamente uma espectroscopia mais profunda, para sondar exatamente o que está fazendo [a Galáxia de Maisie] ser tão azul”, diz ele, referindo-se à sua cor restante. A principal teoria é que as primeiras galáxias, como a Galáxia de Maisie, tinham uma proporção maior de estrelas luminosas, azuis e massivas em comparação com as galáxias atuais. As observações usando um dos telescópios Keck de 10 metros no Havaí já estão em andamento, e Finkelstein espera acompanhar o JWST no futuro.

“Estaremos procurando características mais fracas da linha de emissão UV-resto, que são diagnósticos para coisas como a presença de estrelas muito massivas e também quão intensa é a luz das estrelas que vemos”, diz Finkelstein.

Em última análise, as descobertas são um lembrete da necessidade da confirmação espectroscópica dos desvios para o vermelho das galáxias e que, até que tais medições sejam feitas, devemos levar com cautela as reivindicações de desvios para o vermelho fotométricos recordes.

A pesquisa é descrita em um pré-impressão em arXiv.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/jwst-spectrometer-refines-redshifts-of-distant-galaxies/