Astrónomos descobrem uma região do cosmos que desafia tudo o que sabíamos sobre o espaço.

Usando alguns dos telescópios mais sensíveis da Terra, investigadores detetaram uma galáxia distante onde novos sóis se acendem a um ritmo impressionante, sugerindo que partes do cosmos jovem eram muito mais selvagens e densas do que o nosso canto tranquilo da Via Láctea.

Um berçário estelar selvagem na orla do Universo observável

A galáxia no centro deste trabalho é conhecida como Y1, um objeto compacto observado tal como era há menos de mil milhões de anos após o Big Bang. Nessa altura, o Universo ainda estava na sua infância, repleto de gás quente, aglomerados de matéria escura e as primeiras gerações significativas de estrelas e galáxias.

O que faz a Y1 destacar-se não é apenas a sua distância, mas o seu comportamento. As observações sugerem que está a formar estrelas a um ritmo cerca de 180 vezes superior ao da Via Láctea. Para astrónomos habituados à nossa casa galáctica relativamente serena, esse valor é surpreendente.

A Y1 parece uma maternidade cósmica a funcionar na capacidade máxima, produzindo estrelas tão depressa que o seu reservatório de gás poderá esgotar-se num instante cósmico.

Uma atividade tão furiosa está normalmente associada a bolsões densos de gás, radiação intensa e interações gravitacionais violentas. No caso da Y1, os dados apontam precisamente para isso: uma região muito compacta onde nuvens de gás colapsam rapidamente, acendendo novas estrelas em grandes surtos em vez de a um ritmo suave e constante.

Uma versão mais quente e mais densa da Nebulosa de Órion

Para imaginar o que se passa dentro da Y1, os investigadores comparam frequentemente com algo bem conhecido: a Nebulosa de Órion. Esta mancha brilhante de gás e poeira, visível através de pequenos telescópios a partir da Terra, é um berçário estelar próximo onde hoje estão a nascer novas estrelas.

A Y1 parece albergar regiões que lembram Órion, mas elevadas a um nível muito mais extremo. Em vez de uma taxa de nascimento relativamente modesta, estas zonas na Y1 brilham intensamente em luz infravermelha e em emissões de rádio, sinal tanto de poeira quente como de radiação intensa proveniente de estrelas recém-formadas.

Se a Nebulosa de Órion é uma cidade movimentada de nascimento estelar, a Y1 é uma megacidade em hora de ponta, com todas as vias cheias.

O ingrediente-chave é a poeira e o gás. O estudo nota que a Y1 é a galáxia mais distante em que os astrónomos detetaram claramente poeira cósmica. Essa deteção é importante, porque os grãos de poeira são forjados em gerações anteriores de estrelas e em supernovas. A sua presença tão cedo na história cósmica sugere que já ocorreram ciclos muito rápidos de nascimento e morte nesta região.

Porque é que a poeira e a luz infravermelha são tão importantes

Para compreender o que a Y1 está a fazer, a equipa usou o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), no Chile. O ALMA foi concebido para captar sinais ténues de gás frio e poeira morna, observados em comprimentos de onda milimétricos e submilimétricos.

• Emissão de poeira: os grãos de poeira absorvem luz ultravioleta e visível de estrelas jovens e reemitem-na como radiação infravermelha e milimétrica.
• Linhas do gás: moléculas específicas no gás brilham a frequências características, revelando temperatura, densidade e movimento.
• Taxa de formação estelar: quanto mais brilhante a poeira nestes comprimentos de onda, maior é, provavelmente, a atividade de formação estelar.

Na Y1, o ALMA detetou uma emissão potente semelhante ao infravermelho, muito acima do que seria esperado para uma galáxia calma e de crescimento lento. Em conjunto com o sinal de poeira, isto indica fortemente que a Y1 é uma galáxia de starburst: um sistema que atravessa um surto de crescimento curto, mas extremamente intenso.

Porque é que este canto do espaço desafia expetativas antigas

Durante anos, muitos modelos sugeriram que as galáxias primitivas cresciam de forma gradual, reunindo lentamente gás da teia cósmica e convertendo-o suavemente em estrelas. A existência de um sistema como a Y1, tão cedo na história do cosmos, põe essa imagem sob pressão.

Para atingir uma taxa de formação estelar tão elevada, a Y1 precisa de:

Condição	Papel na Y1
Nuvens de gás muito densas	Fornecem a matéria-prima que pode colapsar rapidamente e formar estrelas.
Arrefecimento eficiente	Permite que o gás quente perca energia e se aglomere, em vez de permanecer difuso.
Forte potencial gravitacional	Possivelmente devido à matéria escura e a fusões precoces, puxando gás para o núcleo da galáxia.
Reciclagem rápida de material	Supernovas enriquecem e agitam o gás, alimentando novas gerações de estrelas.

Em conjunto, estas condições significam que algumas zonas do Universo jovem não cresceram como subúrbios tranquilos, mas como centros urbanos densamente preenchidos, acumulando massa a velocidades extraordinárias.

A Y1 sugere que partes do cosmos primitivo eram tão sobrelotadas e eficientes que as galáxias podiam ganhar massa em apenas algumas centenas de milhões de anos.

Isto parece colidir com expetativas mais antigas de que sistemas tão massivos e ricos em poeira precisariam de muito mais tempo para se formar. A descoberta obriga os astrónomos a ajustar modelos sobre a rapidez com que o gás pode arrefecer e cair em galáxias primitivas, e sobre como o feedback de estrelas massivas e buracos negros regula esse crescimento.

Quasares, estrelas primitivas e outros suspeitos

Uma das grandes questões em torno de galáxias extremas como a Y1 é o que alimenta as suas regiões mais brilhantes. Alguns investigadores apontam para quasares: buracos negros supermassivos a devorar matéria e a inundar a sua envolvência com energia.

Em galáxias próximas, quasares e starbursts podem coexistir. Sinais infravermelhos brilhantes podem vir de poeira quente aquecida tanto por estrelas recém-nascidas como por um buraco negro ativo. Para a Y1, o equilíbrio exato ainda está sob análise, mas a enorme taxa de formação estelar sugere que a luz estelar faz grande parte do trabalho.

Outra possibilidade é que a Y1 albergue uma população de estrelas invulgarmente dominada por estrelas massivas e de vida curta. As teóricas estrelas de “População III”, as primeiras estrelas formadas quase exclusivamente de hidrogénio e hélio, são frequentemente invocadas aqui. Brilhariam intensamente, viveriam pouco e depois explodiriam, semeando o meio circundante com metais e poeira.

Embora a evidência direta dessas estrelas primordiais na Y1 permaneça difícil de obter, a rápida acumulação de poeira sugere que estrelas massivas já viveram e morreram múltiplas vezes nesta região na altura em que a observamos.

O que isto significa para a nossa compreensão do crescimento das galáxias

A existência da Y1 levanta várias questões práticas para a cosmologia e a teoria da formação de galáxias. Se existe uma galáxia assim, é provável que existam muitas mais. Isso implica que a formação estelar precoce em todo o Universo pode ter sido mais irregular, com “pontos quentes” de atividade extrema rodeados por áreas mais calmas.

Para os astrónomos que tentam reconstruir a cronologia do Universo, isto tem consequências diretas:

• Reionização - a era em que as primeiras estrelas e galáxias ionizaram o gás hidrogénio à sua volta - pode ter sido fortemente impulsionada por sistemas compactos e intensos como a Y1.
• Galáxias massivas precoces podem formar-se mais cedo do que alguns modelos preveem, porque surtos deste tipo comprimem o crescimento em escalas temporais mais curtas.
• Grandes buracos negros também poderão crescer rapidamente nestes ambientes, alimentando-se de gás denso e detritos estelares.

Observações futuras com o Telescópio Espacial James Webb e redes de rádio melhoradas irão apontar a galáxias do tipo da Y1 para mapear a sua estrutura com maior detalhe. Os investigadores querem saber se toda a galáxia está a atravessar um starburst ou se o frenesim está confinado a uma pequena região central.

Termos-chave e conceitos por detrás desta região estranha

Várias ideias técnicas estão no pano de fundo desta história, e compreendê-las ajuda a perceber porque é que a Y1 é tão relevante.

Galáxia de starburst: este termo refere-se a uma galáxia numa fase temporária de formação estelar extremamente rápida. Estes surtos duram muitas vezes apenas dezenas ou centenas de milhões de anos antes de o combustível escassear. Na Y1, a intensidade sugere que não conseguirá manter este ritmo por muito tempo sem ficar sem gás.

Poeira cósmica: são pequenas partículas sólidas, frequentemente feitas de carbono, silicatos e metais, formadas nas atmosferas das estrelas e em explosões de supernovas. Os grãos de poeira influenciam o aspeto das galáxias ao absorverem e dispersarem luz. A sua presença num Universo muito jovem significa que gerações anteriores de estrelas já viveram e morreram.

Desvio para o vermelho (redshift): como o Universo está em expansão, a luz de galáxias muito distantes é esticada para comprimentos de onda mais longos e mais avermelhados. A Y1 encontra-se a elevado redshift, o que significa que a sua luz partiu há milhares de milhões de anos e foi significativamente deslocada para a parte infravermelha do espectro quando chega até nós.

O que as simulações sugerem que poderá estar a acontecer dentro da Y1

Simulações numéricas de galáxias primitivas oferecem uma forma de imaginar o interior da Y1. Em muitos modelos, correntes frias de gás fluem ao longo de filamentos da teia cósmica para dentro de galáxias jovens. Onde vários filamentos se encontram, o gás acumula-se e colapsa rapidamente.

Dentro desse núcleo sobrelotado, a gravidade faz com que se formem nuvens densas. À medida que essas nuvens colapsam, enxames de estrelas massivas acendem-se quase em simultâneo. A radiação combinada e os ventos estelares esculpem bolhas, chocam com o gás circundante e desencadeiam mais formação estelar nas margens. O processo assemelha-se a uma reação em cadeia, limitada apenas pela quantidade de gás fresco que consegue chegar ao centro.

Num sistema como a Y1, este ciclo de feedback pode funcionar a alta velocidade, levando a surto após surto de nascimento estelar, ao mesmo tempo que expulsa parte do gás para o espaço. O resultado é uma galáxia que cresce depressa, mas também se auto-regula, afastando parte do seu combustível futuro mesmo enquanto forma novas estrelas.

À medida que os investigadores continuam a procurar galáxias semelhantes à Y1, esperam mapear quão comuns eram esses bolsões extremos de atividade no cosmos jovem e quantos deles acabaram por acalmar, tornando-se galáxias mais parecidas com a nossa Via Láctea.