Modelo Padrão de Cosmologia Sobrevive às Descobertas Surpreendentes de um Telescópio

As rachaduras na cosmologia deveriam demorar um pouco para aparecer. Mas quando o Telescópio Espacial James Webb (JWST) abriu suas lentes na primavera passada, galáxias extremamente distantes, mas muito brilhantes, imediatamente brilharam no campo de visão do telescópio. “Eles eram tão estupidamente brilhantes e se destacavam”, disse Rohan Naidu, um astrônomo do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

As distâncias aparentes das galáxias da Terra sugerem que elas se formaram muito mais cedo na história do universo do que qualquer um previu. (Quanto mais distante algo está, mais tempo atrás sua luz brilhou.) As dúvidas giravam, mas em dezembro, os astrônomos confirmaram que algumas das galáxias são de fato tão distantes e, portanto, tão primordiais quanto parecem. A mais antiga dessas galáxias confirmadas lançou sua luz 330 milhões de anos após o Big Bang, tornando-se a nova detentora do recorde da estrutura mais antiga conhecida no universo. Essa galáxia era bastante escura, mas outros candidatos vagamente atrelados ao mesmo período de tempo já estavam brilhando, o que significa que eram potencialmente enormes.

Como as estrelas poderiam entrar em ignição dentro de nuvens superaquecidas de gás logo após o Big Bang? Como eles poderiam se entrelaçar apressadamente em estruturas tão grandes ligadas gravitacionalmente? Encontrar galáxias tão grandes e brilhantes parece semelhante a encontrar um coelho fossilizado em estratos pré-cambrianos. “Não há grandes coisas nos primeiros tempos. Demora um pouco para chegar a grandes coisas ”, disse Mike Boylan-Kolchin, um físico teórico da Universidade do Texas, Austin.

Os astrônomos começaram a se perguntar se a profusão de grandes coisas iniciais desafiava a compreensão atual do cosmos. Alguns pesquisadores e meios de comunicação afirmaram que as observações do telescópio estavam quebrando o modelo padrão da cosmologia – um conjunto bem testado de equações chamado lambda matéria escura fria, ou ΛCDM, modelo – apontando de forma emocionante para novos ingredientes cósmicos ou leis governantes. Desde então, ficou claro, no entanto, que o modelo ΛCDM é resiliente. Em vez de forçar os pesquisadores a reescrever as regras da cosmologia, as descobertas do JWST levaram os astrônomos a repensar como as galáxias são feitas, especialmente no início cósmico. O telescópio ainda não quebrou a cosmologia, mas isso não significa que o caso das galáxias muito primitivas se revelará algo além de uma época.

Tempos mais simples

Para ver por que a detecção de galáxias brilhantes muito precoces é surpreendente, é útil entender o que os cosmólogos sabem – ou pensam que sabem – sobre o universo.

Após o Big Bang, o universo infantil começou a esfriar. Dentro de alguns milhões de anos, o plasma turbulento que preenchia o espaço se acalmou e elétrons, prótons e nêutrons se combinaram em átomos, principalmente hidrogênio neutro. As coisas ficaram quietas e escuras por um período de duração incerta conhecido como idade das trevas cósmica. Então algo aconteceu.

A maior parte do material que se desfez após o Big Bang é feito de algo que não podemos ver, chamado matéria escura. Exerceu uma poderosa influência sobre o cosmos, especialmente no início. Na imagem padrão, a matéria escura fria (um termo que significa partículas invisíveis e lentas) foi arremessada pelo cosmos indiscriminadamente. Em algumas áreas sua distribuição era mais densa, e nessas regiões começou a desmoronar em touceiras. Matéria visível, ou seja, átomos, agrupados em torno de aglomerados de matéria escura. À medida que os átomos também esfriavam, eles acabaram se condensando e as primeiras estrelas nasceram. Essas novas fontes de radiação recarregavam o hidrogênio neutro que preenchia o universo durante a chamada época de reionização. Através da gravidade, estruturas maiores e mais complexas cresceram, construindo uma vasta teia cósmica de galáxias.

Enquanto isso, tudo se desfez. O astrônomo Edwin Hubble descobriu na década de 1920 que o universo está se expandindo e, no final da década de 1990, seu homônimo, o Telescópio Espacial Hubble, encontrou evidências de que a expansão está se acelerando. Pense no universo como um pedaço de pão de passas. Começa como uma mistura de farinha, água, fermento e passas. Quando você combina esses ingredientes, o fermento começa a respirar e o pão começa a crescer. As passas dentro dele - substitutos das galáxias - se afastam umas das outras à medida que o pão se expande.

O telescópio Hubble viu que o pão está subindo cada vez mais rápido. As passas estão se separando a uma velocidade que desafia sua atração gravitacional. Essa aceleração parece ser impulsionada pela energia repulsiva do próprio espaço – a chamada energia escura, que é representada pela letra grega Λ (pronuncia-se “lambda”). Insira valores para Λ, matéria escura fria e matéria regular e radiação nas equações da teoria geral da relatividade de Albert Einstein e você obterá um modelo de como o universo evolui. Este modelo de “matéria escura fria lambda” (ΛCDM) corresponde a quase todas as observações do cosmos.

Uma maneira de testar essa imagem é observar galáxias muito distantes – o equivalente a olhar para trás no tempo, para as primeiras centenas de milhões de anos após o tremendo estrondo que deu início a tudo. O cosmos era mais simples então, sua evolução mais fácil de comparar com as previsões.

Os astrônomos tentaram pela primeira vez ver as primeiras estruturas do universo usando o telescópio Hubble em 1995. Ao longo de 10 dias, o Hubble capturou 342 exposições de um trecho vazio do espaço na Ursa Maior. Os astrônomos ficaram surpresos com a abundância escondida na escuridão: o Hubble pôde ver milhares de galáxias em diferentes distâncias e estágios de desenvolvimento, remontando a tempos muito anteriores ao que se esperava. O Hubble iria encontrar algumas galáxias extremamente distantes - em 2016, os astrônomos encontrou o seu mais distante, chamado GN-z11, uma mancha fraca que eles dataram de 400 milhões de anos após o Big Bang.

Isso foi surpreendentemente cedo para uma galáxia, mas não lançou dúvidas sobre o modelo ΛCDM em parte porque a galáxia é pequena, com apenas 1% da massa da Via Láctea, e em parte porque estava sozinha. Os astrônomos precisavam de um telescópio mais poderoso para ver se o GN-z11 era um estranho ou parte de uma população maior de intrigantes galáxias primitivas, o que poderia ajudar a determinar se estamos perdendo uma parte crucial da receita ΛCDM.

Inexplicavelmente distante

Esse telescópio espacial de última geração, batizado em homenagem ao ex-líder da NASA James Webb, lançado no dia de natal 2021. Assim que o JWST foi calibrado, a luz das primeiras galáxias pingou em seus componentes eletrônicos sensíveis. Os astrônomos publicaram uma enxurrada de artigos descrevendo o que viram.

Os pesquisadores usam uma versão do efeito Doppler para medir as distâncias dos objetos. Isso é semelhante a descobrir a localização de uma ambulância com base em sua sirene: a sirene soa mais alta quando se aproxima e depois mais baixa quando se afasta. Quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela se afasta de nós e, portanto, sua luz se estende a comprimentos de onda mais longos e parece mais vermelha. A magnitude deste “desvio para o vermelho” é expressa como z, onde um determinado valor para z informa quanto tempo a luz de um objeto deve ter viajado para chegar até nós.

Um dos primeiros papéis no JWST, os dados vieram de Naidu, o astrônomo do MIT, e seus colegas, cujo algoritmo de busca sinalizou uma galáxia que parecia inexplicavelmente brilhante e inexplicavelmente distante. Naidu o apelidou de VIDRO-z13, indicando sua distância aparente em um desvio para o vermelho de 13 - mais longe do que qualquer coisa vista antes. (O desvio para o vermelho da galáxia foi posteriormente revisado para 12.4 e foi renomeado para GLASS-z12.) Outros astrônomos trabalhando nos vários conjuntos de observações do JWST relataram valores de desvio para o vermelho de 11 a 20, incluindo uma galáxia chamada CEERS-1749 ou CR2-z17-1, cuja luz parece ter deixado 13.7 bilhões de anos atrás, apenas 220 milhões de anos após o Big Bang - apenas um piscar de olhos após o início do tempo cósmico.

Essas detecções putativas sugeriram que a história conhecida como ΛCDM pode estar incompleta. De alguma forma, as galáxias cresceram enormes imediatamente. “No início do universo, você não espera ver galáxias massivas. Eles não tiveram tempo de formar tantas estrelas e não se fundiram”, disse Chris Lovell, astrofísico da Universidade de Portsmouth, na Inglaterra. Com efeito, em um estudo publicado em novembro, os pesquisadores analisaram simulações de computador de universos governados pelo modelo ΛCDM e descobriram que as primeiras galáxias brilhantes do JWST eram uma ordem de magnitude mais pesadas do que aquelas que se formaram simultaneamente nas simulações.

Alguns astrônomos e meios de comunicação afirmaram que o JWST estava quebrando a cosmologia, mas nem todos estavam convencidos. Um problema é que as previsões de ΛCDM nem sempre são claras. Enquanto a matéria escura e a energia escura são simples, a matéria visível tem interações e comportamentos complexos, e ninguém sabe exatamente o que aconteceu nos primeiros anos após o Big Bang; aqueles primeiros tempos frenéticos devem ser aproximados em simulações de computador. O outro problema é que é difícil dizer exatamente a que distância as galáxias estão.

Nos meses desde os primeiros artigos, as idades de algumas das supostas galáxias com alto desvio para o vermelho foram reconsideradas. Alguns foram rebaixado para estágios posteriores da evolução cósmica por causa de calibrações de telescópio atualizadas. CEERS-1749 é encontrado em uma região do céu contendo um aglomerado de galáxias cuja luz foi emitida há 12.4 bilhões de anos, e Naidu diz que é possível que a galáxia seja realmente parte deste aglomerado - um intruso mais próximo que pode estar cheio de poeira que faz parece mais redshifted do que é. De acordo com Naidu, CEERS-1749 é estranho, não importa o quão longe esteja. “Seria um novo tipo de galáxia que não conhecíamos: uma galáxia minúscula e de massa muito baixa que, de alguma forma, acumulou muita poeira nela, algo que tradicionalmente não esperamos”, disse ele. “Pode haver apenas esses novos tipos de objetos que estão confundindo nossas buscas por galáxias muito distantes.”

A pausa de Lyman

Todos sabiam que as estimativas de distância mais definitivas exigiriam a capacidade mais poderosa do JWST.

O JWST não apenas observa a luz das estrelas por meio de fotometria, ou medição de brilho, mas também por espectroscopia, ou medição dos comprimentos de onda da luz. Se uma observação fotométrica é como a foto de um rosto na multidão, então uma observação espectroscópica é como um teste de DNA que pode contar a história familiar de um indivíduo. Naidu e outros que encontraram grandes galáxias iniciais mediram o desvio para o vermelho usando medições derivadas do brilho – essencialmente olhando para rostos na multidão usando uma câmera realmente boa. Esse método está longe de ser hermético. (Em uma reunião de janeiro da American Astronomical Society, os astrônomos brincaram que talvez metade das primeiras galáxias observadas apenas com fotometria serão medidas com precisão.)

Mas no início de dezembro, os cosmólogos anunciou que eles combinaram os dois métodos para quatro galáxias. A equipe JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) procurou galáxias cujo espectro de luz infravermelha corta abruptamente em um comprimento de onda crítico conhecido como quebra de Lyman. Essa quebra ocorre porque o hidrogênio flutuando no espaço entre as galáxias absorve a luz. Por causa da expansão contínua do universo – o pão de passas sempre crescente – a luz das galáxias distantes é deslocada, de modo que o comprimento de onda dessa quebra abrupta também muda. Quando a luz de uma galáxia parece cair em comprimentos de onda mais longos, ela está mais distante. JADES identificou espectros com desvios para o vermelho de até 13.2, o que significa que a luz da galáxia foi emitida há 13.4 bilhões de anos.

Assim que os dados foram baixados, os pesquisadores do JADES começaram a “enlouquecer” em um grupo Slack compartilhado, de acordo com Kevin Hainline, um astrônomo da Universidade do Arizona. “Foi como, 'Oh meu Deus, oh meu Deus, nós conseguimos, conseguimos, conseguimos!'”, disse ele. “Esses espectros são apenas o começo do que eu acho que será a ciência que mudará a astronomia”.

Brant Robertson, um astrônomo da JADES na Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, diz que as descobertas mostram que o universo primitivo mudou rapidamente em seu primeiro bilhão de anos, com galáxias evoluindo 10 vezes mais rápido do que hoje. É semelhante a como “um beija-flor é uma criatura pequena”, disse ele, “mas seu coração bate tão rápido que está vivendo uma vida diferente das outras criaturas. O batimento cardíaco dessas galáxias está acontecendo em uma escala de tempo muito mais rápida do que algo do tamanho da Via Láctea”.

Mas seus corações estavam batendo muito rápido para ΛCDM explicar?

Possibilidades Teóricas

Enquanto os astrônomos e o público ficavam boquiabertos com as imagens do JWST, os pesquisadores começaram a trabalhar nos bastidores para determinar se as galáxias piscando em nossa visão realmente alteravam o ΛCDM ou apenas ajudavam a definir os números que deveríamos inserir em suas equações.

Um número importante, mas mal compreendido, diz respeito às massas das primeiras galáxias. Os cosmólogos tentam determinar suas massas para saber se correspondem à linha do tempo prevista pelo ΛCDM para o crescimento galáctico.

A massa de uma galáxia é derivada de seu brilho. Mas Megan Donahue, um astrofísico da Michigan State University, diz que, na melhor das hipóteses, a relação entre massa e brilho é um palpite, baseado em suposições colhidas de estrelas conhecidas e galáxias bem estudadas.

Uma suposição chave é que as estrelas sempre se formam dentro de uma certa faixa estatística de massas, chamada de função de massa inicial (IMF). Este parâmetro IMF é crucial para coletar a massa de uma galáxia a partir das medições de seu brilho, porque estrelas quentes, azuis e pesadas produzem mais luz, enquanto a maior parte da massa de uma galáxia é normalmente aprisionada em pequenas estrelas frias e vermelhas.

Mas é possível que o IMF fosse diferente no início do universo. Nesse caso, as primeiras galáxias do JWST podem não ser tão pesadas quanto seu brilho sugere; eles podem ser brilhantes, mas leves. Essa possibilidade causa dores de cabeça, porque alterar essa entrada básica para o modelo ΛCDM pode fornecer praticamente qualquer resposta que você desejar. Lovell diz que alguns astrônomos consideram mexer com o FMI “o domínio dos ímpios”.

“Se não entendermos a função de massa inicial, entender as galáxias com alto desvio para o vermelho é realmente um desafio”, disse Wendy Freeman, um astrofísico da Universidade de Chicago. Sua equipe está trabalhando em observações e simulações de computador que ajudarão a identificar o FMI em diferentes ambientes.

Ao longo do outono, muitos especialistas começaram a suspeitar que ajustes no FMI e outros fatores poderiam ser suficientes para enquadrar as galáxias muito antigas iluminando os instrumentos do JWST com ΛCDM. “Acho que é mais provável que possamos acomodar essas observações dentro do paradigma padrão”, disse Rachel Somerville, um astrofísico do Flatiron Institute (que, como Revista Quanta, é financiado pela Simons Foundation). Nesse caso, ela disse, “o que aprendemos é: com que rapidez os halos [da matéria escura] podem coletar o gás? Quão rápido podemos fazer o gás esfriar e ficar denso, e fazer estrelas? Talvez isso aconteça mais rápido no início do universo; talvez o gás seja mais denso; talvez de alguma forma esteja fluindo mais rápido. Acho que ainda estamos aprendendo sobre esses processos.”

Somerville também estuda a possibilidade de que os buracos negros tenham interferido no cosmos bebê. Os astrônomos têm notado alguns buracos negros supermassivos brilhantes em um desvio para o vermelho de 6 ou 7, cerca de um bilhão de anos após o Big Bang. É difícil conceber como, naquela época, as estrelas poderiam ter se formado, morrido e então colapsado em buracos negros que comeram tudo ao seu redor e começaram a expelir radiação.

Mas se houver buracos negros dentro das supostas galáxias iniciais, isso poderia explicar por que as galáxias parecem tão brilhantes, mesmo que não sejam realmente muito massivas, disse Somerville.

A confirmação de que ΛCDM pode acomodar pelo menos algumas das primeiras galáxias do JWST chegou um dia antes do Natal. Astrônomos liderados por Benjamim Keller na Universidade de Memphis verificado um punhado de grandes simulações de supercomputadores de universos ΛCDM e descobriu que as simulações poderiam produzir galáxias tão pesadas quanto as quatro que foram estudadas espectroscopicamente pela equipe JADES. (Essas quatro são notavelmente menores e mais escuras do que outras supostas galáxias iniciais, como GLASS-z12.) Na análise da equipe, todas as simulações produziram galáxias do tamanho das descobertas do JADES com um desvio para o vermelho de 10. Uma simulação poderia criar essas galáxias com um desvio para o vermelho de 13, o mesmo que JADES viu, e outros dois poderiam construir as galáxias com um desvio para o vermelho ainda maior. Nenhuma das galáxias JADES estava em tensão com o atual paradigma ΛCDM, Keller e colegas relataram no servidor de pré-impressão arxiv.org em 24 de dezembro.

Embora não tenham peso para quebrar o modelo cosmológico predominante, as galáxias JADES têm outras características especiais. Hainline disse que suas estrelas parecem não poluídas por metais de estrelas que explodiram anteriormente. Isso pode significar que são estrelas da População III - a primeira geração de estrelas avidamente procurada a acender - e que podem estar contribuindo para a reionização do universo. Se isso for verdade, o JWST já olhou para o período misterioso em que o universo foi colocado em seu curso atual.

Evidência Extraordinária

 A confirmação espectroscópica de galáxias iniciais adicionais pode ocorrer nesta primavera, dependendo de como o comitê de alocação de tempo do JWST divide as coisas. Uma campanha de observação chamada WDEEP procurará especificamente galáxias de menos de 300 milhões de anos após o Big Bang. À medida que os pesquisadores confirmam as distâncias de mais galáxias e melhoram a estimativa de suas massas, eles ajudam a definir o destino de ΛCDM.

Muitas outras observações já estão em andamento e podem mudar o cenário para ΛCDM. Freedman, que está estudando a função de massa inicial, estava acordada à 1 da manhã baixando dados do JWST sobre estrelas variáveis ​​que ela usa como “velas padrão” para medir distâncias e idades. Essas medições podem ajudar a eliminar outro problema potencial com ΛCDM, conhecido como tensão de Hubble. O problema é que o universo atualmente parece estar se expandindo mais rápido do que o ΛCDM prevê para um universo de 13.8 bilhões de anos. Os cosmólogos têm muitas explicações possíveis. Talvez, especulam alguns cosmólogos, a densidade da energia escura que está acelerando a expansão do universo não seja constante, como em ΛCDM, mas mude com o tempo. Mudar a história de expansão do universo pode não apenas resolver a tensão de Hubble, mas também revisar os cálculos da idade do universo em um determinado desvio para o vermelho. O JWST pode estar vendo uma galáxia primitiva como ela apareceu, digamos, 500 milhões de anos após o Big Bang, em vez de 300 milhões. Então, mesmo as galáxias iniciais mais pesadas nos espelhos do JWST teriam tempo de sobra para coalescer, diz Somerville.

Os astrônomos ficam sem superlativos quando falam sobre os primeiros resultados de galáxias do JWST. Eles apimentam suas conversas com risos, palavrões e exclamações, ao mesmo tempo em que se lembram do ditado de Carl Sagan, embora usado demais, de que alegações extraordinárias exigem evidências extraordinárias. Eles mal podem esperar para obter mais imagens e espectros, o que os ajudará a aprimorar ou ajustar seus modelos. “Esses são os melhores problemas”, disse Boylan-Kolchin, “porque não importa o que você obtenha, a resposta é interessante”.