Galáxias gigantescas que se formaram entre 3 e 4 bilhões de anos após o Big Bang cessaram abruptamente sua produção de estrelas apenas 1 bilhão de anos depois. Esse comportamento intrigava astrônomos, especialmente ao comparar com a Via Láctea, que mantém sua formação estelar há mais de 13 bilhões de anos.
Pesquisadores brasileiros desenvolveram um modelo que explica esse enigma cósmico. A resposta está em colisões violentas entre galáxias, explosões intensas de nascimento estelar e na atuação devastadora de buracos negros supermassivos.
O enigma das galáxias que envelheceram rápido demais
Observações astronômicas revelam duas populações distintas de galáxias no Universo jovem. De um lado, as galáxias intensamente formadoras de estrelas, ricas em poeira. Do outro, galáxias massivas quiescentes, completamente inertes.
As primeiras produzem estrelas a taxas extraordinárias de até ”500 massas solares por ano”. Em comparação, a Via Láctea gera aproximadamente uma massa solar anualmente. Essas fábricas estelares permanecem envoltas em densas nuvens de poeira.
Já as galáxias quiescentes cessaram toda atividade de formação estelar nos primeiros bilhões de anos da história cósmica. Esse envelhecimento acelerado desafiava os modelos científicos existentes.
Como os cientistas investigaram a conexão entre galáxias ativas e inertes
Pesquisadores do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo utilizaram um modelo semianalítico de formação de galáxias. O objetivo era rastrear as trajetórias evolutivas desses objetos celestes.
O estudo se concentrou em galáxias observadas em redshifts de 2 a 4. Esse intervalo corresponde ao período quando o Universo tinha cerca de 3 a 4 bilhões de anos.
Redshifts são desvios da radiação eletromagnética para comprimentos de onda maiores. Esse fenômeno ocorre devido à expansão contínua do Universo.
Os resultados mostraram que entre 86% e 96% das galáxias quiescentes passaram anteriormente por uma fase extremamente ativa. Praticamente todas essas galáxias inertes tiveram um passado turbulento de intensa produção estelar.
As galáxias formadoras de estrelas ricas em poeira
Essas galáxias extremamente ativas são praticamente invisíveis na faixa óptica do espectro eletromagnético. Suas densas nuvens de poeira bloqueiam a luz visível.
Entretanto, brilham intensamente no submilimétrico e no infravermelho médio. Por isso, foram detectadas aos milhares pelos radiotelescópios Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array.
O Telescópio Espacial James Webb, operando no infravermelho, caracterizou suas estruturas espaciais e composições estelares. Essas observações revelaram galáxias em plena atividade de nascimento estelar.
O mecanismo da fusão galáctica e seus efeitos devastadores
Cada galáxia que se tornou quiescente passou por uma fusão violenta com outra galáxia de massa semelhante. Esse evento catastrófico desencadeou dois processos simultâneos.
Primeiro, ocorreu um surto extremo de formação estelar. Segundo, um buraco negro supermassivo cresceu rapidamente na região central da galáxia resultante.
Segundo Laerte Sodré Junior, professor titular aposentado e ex-diretor do IAG-USP, “a fusão das duas galáxias concentrou grandes quantidades de gás no núcleo, desencadeando simultaneamente o surto extremo de formação estelar e a alimentação intensa do buraco negro supermassivo”.
Como o buraco negro supermassivo bloqueou novas estrelas
O processo de bloqueio ocorre através de um mecanismo energético específico. O gás frio disponível é rapidamente consumido durante o surto de formação estelar.
Enquanto isso, a energia liberada pelo núcleo ativo aquece o gás do halo circundante. Esse aquecimento impede que o gás esfrie e seja reincorporado à galáxia.
Como explica Sodré Junior, esse processo “bloqueou o suprimento de matéria-prima para novas estrelas e interrompeu a formação estelar em menos de 1 bilhão de anos”. A galáxia ficou sem combustível para gerar novas estrelas.
O caminho diferente das galáxias que crescem gradualmente
Nem todas as galáxias formadoras de estrelas seguem o destino de se tornarem quiescentes. A maior parte cresce de forma mais gradual através de processos de longa duração.
Essas galáxias experimentam fusões relevantes apenas em épocas posteriores da história cósmica. O resultado é um consumo mais lento do gás disponível.
Esse crescimento moderado leva a um eventual apagamento tardio da formação estelar. Esse fenômeno é observado em *redshifts* menores, correspondendo a épocas mais recentes do Universo.
Discrepâncias entre previsões e observações do James Webb
O Telescópio Espacial James Webb tem contribuído significativamente para o mapeamento dessas galáxias. Simultaneamente, revelou um número maior do que esperado de galáxias massivas quiescentes no Universo jovem.
O modelo proposto ainda não resolve completamente todas as questões. Como admite Sodré Junior, “estamos observando muito mais galáxias com emissões submilimétricas do que podíamos prever”.
Mesmo com essas discrepâncias, o estudo oferece uma estrutura coerente. O modelo de fusão de galáxias, surto de formação estelar e constituição de buraco negro supermassivo explica a evolução observada.
O futuro da pesquisa com o Giant Magellan Telescope
O avanço nessa área dependerá de modelos teóricos mais refinados e simulações numéricas mais realistas. Novas observações serão fundamentais para validar e aprimorar as hipóteses.
O Giant Magellan Telescope está em construção no Observatório de Las Campanas, no Atacama chileno. Esse local foi escolhido por ter um dos céus mais secos e estáveis do planeta.
Com seu espelho coletor de 24,5 metros, o GMT produzirá imagens com resoluções três a quatro vezes superiores às do James Webb. A expectativa é que o equipamento esteja operacional em meados da próxima década.
*com informações da Agência FAPESP