Uma das grandes realizações do Telescópio Espacial James Webb (JWST) é a capacidade de ampliar os horizontes da astronomia, permitindo aos pesquisadores observar galáxias que surgiram durante os primórdios do Universo, menos de um bilhão de anos após o Big Bang. Este intervalo é conhecido pelos cientistas como a Época de Reionização, que coincide com o período denominado pelos astrônomos de Idade das Trevas Cósmica.

Essa fase, que ocorreu entre 380 mil e 1 bilhão de anos após o Big Bang, era marcada por um Universo dominado pelo hidrogênio neutro. Como resultado, qualquer fonte de luz observável atualmente experimentou um desvio para o vermelho (redshift), tornando impossível sua detecção pelos telescópios tradicionais.

Através dos sofisticados espectrômetros e instrumentos infravermelhos do James Webb, os cientistas agora conseguem ultrapassar essa barreira e investigar a evolução das galáxias desde os tempos mais remotos da cosmologia.

Recentemente, uma equipe internacional de astrônomos utilizou o Webb junto à técnica de lenteamento gravitacional para obter uma visão rara da LAP1-B, uma galáxia extremamente débil que existiu apenas 800 milhões de anos após o Big Bang.

Através dos espectrômetros do JWST, os pesquisadores conseguiram caracterizar essa galáxia de maneira definitiva, revelando que se trata da galáxia com menor quantidade de metais já registrada no Universo primitivo.

A pesquisa foi coordenada pelo professor associado Kimihiko Nakajima, da Universidade de Kanazawa, no Japão. O estudo que detalha essa descoberta foi divulgado em 13 de maio na renomada revista científica Nature.

Arqueologia cósmica em tempo real

• No momento imediatamente após o Big Bang, o Universo era composto apenas por elementos leves, como hidrogênio e hélio;
• Carbono e oxigênio, essenciais para a vida, estavam completamente ausentes;
• A formação desses elementos mais pesados ocorreu dentro da primeira geração de estrelas, conhecidas na astrofísica como estrelas de População III;
• A explosão dessas estrelas em supernovas espalhou esses elementos pesados pelo espaço.

A busca por essas estrelas tem sido um objetivo para os astrofísicos ao longo dos anos, com a esperança de testemunhar o exato momento em que os elementos mais pesados começaram a ser disseminados pelo cosmos.

No entanto, essa tarefa se mostrava desafiadora, já que as galáxias que abrigaram as estrelas da População III são notavelmente pequenas e tênues. Assim, analisar a composição química desses corpos celestes via espectroscopia era visto como algo quase impossível — até agora.

A pesquisa conduzida por Nakajima e sua equipe se baseia em detecções preliminares da LAP1-B, complementando-a com espectros detalhados obtidos pelo James Webb. Os dados mostraram uma abundância recorde de oxigênio extremamente baixa: apenas 1/240 da quantidade presente no Sol.

A combinação dessa baixa quantidade com uma elevada proporção de carbono em relação ao oxigênio e a presença significativa de um halo de matéria escura sugere que a LAP1-B pode ser uma progenitora direta das galáxias fósseis atualmente encontradas nas cercanias da nossa própria Via Láctea.

A procura por essas galáxias “ancestrais” tem mobilizado a comunidade astronômica há bastante tempo, fazendo da LAP1-B uma janela histórica sem precedentes para compreender os primórdios da formação galáctica.

“Costumamos atuar como ‘arqueólogos cósmicos‘, tentando decifrar o passado ao observar estrelas antigas próximas. Contudo, agora temos acesso direto ao gás original datado há 13 bilhões de anos”, afirmou Nakajima em declaração.

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O poder da lente gravitacional

A análise cuidadosa desse objeto distante foi viabilizada por uma sorte cósmica: a presença do aglomerado massivo MACS J0416 entre a Terra e a LAP1-B. Esse aglomerado funcionou como uma lente gravitacional natural, distorcendo o espaço-tempo e ampliando a luz fraca da LAP1-B em um fator de 100 vezes.

A equipe realizou cerca de 30 horas de observações intensivas e espectroscopia detalhada antes de caracterizar completamente a composição química dessa jovem galáxia. Além disso, a razão entre carbono e oxigênio na LAP1-B está alinhada com as previsões teóricas sobre os materiais dispersos pelas explosões das estrelas População III.

“Fiquei imediatamente animado ao perceber a extrema escassez de oxigênio nos dados. Descobrir uma galáxia tão primitiva é surpreendente. A assinatura química claramente indica que estamos diante de uma galáxia primordial registrada logo após sua formação”, comentou Nakajima.

Elo entre matéria escura e fósseis do Universo

Análises realizadas pela equipe revelaram outra característica importante: a LAP1-B tem uma massa extremamente diminuta, inferior a 3,3 mil massas solares. Esse valor reduzido implica que grande parte da estrutura desta galáxia é composta por matéria escura formando um halo protetor.

Tamanha massa reduzida aliada à singularidade química torna a LAP1-B quase idêntica às chamadas “Galáxias Anãs Ultra-Fracas” (UFDs), as quais orbitam nas proximidades da Via Láctea atualmente.

Pelo professor Masami Ouchi, pesquisador do Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ) e coautor do estudo, destacou-se a relevância dessa correlação:

“As UFDs não são apenas as mais fracas; elas consistem em estrelas antigas com mais de 12 bilhões de anos e são frequentemente referidas como ‘fósseis do Universo‘. Os astrônomos suspeitavam que elas poderiam representar os restos das primeiras galáxias devido à ausência dos elementos pesados. Porém nunca tivemos uma ligação direta — até encontrarmos a LAP1-B. É profundamente surpreendente perceber que essa galáxia se assemelha exatamente ao ‘ancestral’ que apenas imaginávamos teoricamente. Isso nos ajuda a resolver o mistério sobre como esses fósseis cósmicos sobreviveram até hoje”, ressaltou Ouchi.

Tais descobertas fornecem aos astrônomos uma nova abordagem para mapear o surgimento dos elementos mais pesados no cosmos e entender melhor as estruturas mais antigas formadas no universo.

No futuro imediato, a equipe pretende continuar utilizando dados do James Webb para buscar objetos ainda mais quimicamente primitivos, incluindo as estruturas iniciais já formadas no cosmos. Conforme destacado por Nakajima, espera-se que essa descoberta histórica seja apenas o começo na investigação das origens químicas do nosso Universo.