CRISTAL-02 revela por que galáxias massivas morrem cedo com o Telescópio Espacial James Webb

Galáxias sobrevivem ao transformar gás em estrelas - e, sem gás, não há formação estelar. Enquanto uma galáxia consegue reter esse reservatório, os astrónomos esperam que ela continue a crescer, sobretudo no universo primordial, muito mais denso e agitado.

Mas o Telescópio Espacial James Webb não para de encontrar galáxias que secaram cedo demais e “morreram” jovens. A produção de estrelas nelas foi interrompida muito antes do que deveria, e a causa desse apagamento ainda era um enigma.

Galáxias que morrem jovens

Desde que o Webb começou a mapear o universo distante, em 2022, os cientistas contabilizaram muito mais galáxias já “mortas” do que os modelos previam. Um estudo, por exemplo, encontrou várias vezes mais objetos desse tipo do que o esperado.

E não se trata de sistemas pequenos e apagados. São galáxias massivas, que fabricaram estrelas numa velocidade altíssima e, em seguida, silenciaram - tudo isso ainda no primeiro bilhão de anos após o Big Bang.

Com isso, as hipóteses propostas começaram a ficar incomuns. Uma delas sugeria que a energia escura teria sido mais intensa no começo do cosmos, acelerando tanto o crescimento quanto a queda das galáxias.

A Dra. Rebecca Davies, astrofísica da Swinburne University of Technology, em Melbourne, Austrália, desconfiou de uma explicação bem mais simples.

Uma colisão em andamento

Davies e a sua equipa concentraram a atenção numa galáxia distante chamada CRISTAL-02, observada como ela era cerca de 1,1 bilhão de anos depois do Big Bang.

Naquela época, a CRISTAL-02 formava estrelas num ritmo frenético - rápido demais para o seu próprio bem.

Ao examinar com mais detalhe, fica claro que não é uma galáxia única, mas várias, flagradas no meio de uma colisão. À medida que se fundem, o gás é empurrado para as regiões centrais e alimenta um surto de formação estelar, quase três vezes mais veloz do que o das galáxias ao redor.

A equipa combinou imagens do James Webb com observações de um conjunto de radiotelescópios no norte do Chile. Juntos, esses dados revelaram uma longa pluma de gás frio a escapar por um dos lados do sistema, com um comprimento quase equivalente ao da própria galáxia.

Um vento que remove o combustível das estrelas

Essa pluma marca a borda visível de um vento extremamente potente. O gás nela avança na nossa direção a aproximadamente 640 km/s. Considerando o ângulo de observação, a velocidade real provavelmente é ainda maior.

Nos mapas, o gás mais rápido desenha um cone duplo acima e abaixo do disco galáctico - uma assinatura clássica de material expulso para fora, e não simplesmente “arrancado” pela gravidade de uma vizinha. Tudo indica que o fluxo irrompe de um nó particularmente ativo de estrelas recém-nascidas.

O que torna esse vento tão destrutivo é o ritmo com que ele esvazia a galáxia: ele remove gás a uma taxa duas vezes maior do que a taxa com que a CRISTAL-02 converte gás em estrelas. Ou seja, o vento está a levar embora exatamente o combustível de que novas estrelas precisam para se formar.

O buraco negro ausente

A origem do vento é a maior surpresa. Quando uma galáxia interrompe a formação estelar tão rapidamente, o principal suspeito costuma ser um buraco negro supermassivo: ao se alimentar, ele pode lançar ventos capazes de varrer o gás.

Só que a CRISTAL-02 não apresenta esse tipo de sinal. Não há brilho em raios X nem emissão de rádio que denunciem um buraco negro em alimentação, e a luz emitida pelo seu gás é compatível com aquilo que estrelas jovens produzem.

A explicação mais forte, portanto, aponta para supernovas - estrelas muito massivas que explodem ao morrer.

Até aqui, quase todos os modelos do universo inicial dependiam de um buraco negro gigante para desligar a formação estelar nesse ritmo.

A equipa não consegue descartar a possibilidade de um buraco negro que tenha entrado em atividade antes e depois enfraquecido, mas não há nenhum a “alimentar-se” agora. Com buraco negro ou sem, o contraste é marcante.

Outros trabalhos já observaram buracos negros enormes a sufocarem galáxias em épocas cósmicas mais recentes; neste caso, contudo, parecem ser estrelas comuns a executar o mesmo trabalho brutal tão cedo na história do universo.

Uma galáxia com tempo contado

Ao projetar os números para a frente, o futuro da CRISTAL-02 parece sombrio. Se o vento continuar e as estrelas continuarem a consumir gás no ritmo atual, o reservatório de gás formador de estrelas pode acabar em apenas 50 milhões de anos.

Em termos cósmicos, isso é quase nada. Num universo com cerca de 14 bilhões de anos, 50 milhões de anos equivalem a um piscar de olhos astronómico.

O que restaria seria exatamente o tipo de galáxia massiva e esgotada que o Webb tem identificado repetidamente.

“CRISTAL-02 oferece uma solução natural para o mistério de por que essas galáxias massivas vivem rápido e morrem jovens”, disse Davies.

A mesma física ao longo do tempo cósmico

De forma curiosa, esse vento violento do universo primordial se parece muito com ventos observados mais perto de nós. Quando comparada com cerca de 100 ventos impulsionados por estrelas ao longo de 12 bilhões de anos de tempo cósmico, a CRISTAL-02 encaixa-se perfeitamente ao lado de galáxias próximas, como a M82.

Essa semelhança é reveladora. Ela indica que o mecanismo pelo qual estrelas em explosão empurram gás para fora das galáxias mudou muito pouco ao longo da história do universo - mesmo enquanto as próprias galáxias se transformavam.

“Quase metade das galáxias massivas primitivas está a interagir com outras galáxias próximas, sugerindo que isso não é uma peculiaridade, mas um fenómeno cósmico disseminado”, afirmou Davies.

A CRISTAL-02 pode não ser exceção. No universo jovem, as colisões capazes de disparar esse tipo de vento parecem ser comuns.

Repensando como as galáxias desligam

Durante anos, astrónomos suspeitaram que ventos poderosos estivessem a matar as maiores galáxias do universo inicial - porém ninguém tinha observado, de forma convincente, um vento gerado por estrelas forte o suficiente.

A CRISTAL-02 é o primeiro caso claro, captado ao mesmo tempo no gás frio e no gás brilhante. Isso oferece uma resposta mais simples do que ideias exóticas envolvendo mudanças na energia escura.

Agora, a questão em aberto é com que frequência esses ventos acionados por colisões realmente acontecem e se buracos negros são mesmo necessários para povoar o “cemitério” do universo primordial.

Com o Webb capaz de detectar até gás fraco e veloz, os astrónomos finalmente têm como descobrir.

Crédito da imagem: Joshua Worth via Creative Commons, CC-BY 4.0