REBELS-25: multi-phase morphology and kinematics at z = 7.31

Nos momentos iniciais do universo, o cosmos era um lugar escuro e informe, preenchido apenas por gás de hidrogênio e hélio. Ao longo de centenas de milhões de anos, a gravidade começou a atrair esse gás, acendendo as primeiras estrelas e forjando as primeiras galáxias. Por muito tempo, os astrônomos acreditaram que essas galáxias primitivas eram lugares caóticos e desordenados. A teoria predominante sugeria que, no primeiro bilhão de anos da história cósmica, as galáxias eram jovens demais para terem se estabilizado em formas ordenadas. Elas eram consideradas coleções turbulentas e instáveis de gás e estrelas, constantemente colidindo e agitando-se, carecendo dos discos giratórios suaves que caracterizam as galáxias maduras como a nossa própria Via Láctea hoje. Essa visão sustentava que levava bilhões de anos para as galáxias esfriarem, organizarem seu gás e desenvolverem as estruturas elegantes e rotativas que vemos no universo próximo.

No entanto, a chegada do Telescópio Espacial James Webb e do Atacama Large Millimeter/submillimeter Array começou a reescrever essa linha do tempo. Esses instrumentos poderosos permitem que os cientistas observem de volta à época da reionização, um tempo em que o universo tinha menos de um bilhão de anos, e vejam galáxias que parecem surpreendentemente maduras. A questão agora não é apenas se essas galáxias antigas existem, mas como elas conseguiram montar estruturas tão complexas tão rapidamente. Elas possuem verdadeiramente os discos calmos e rotativos das galáxias posteriores, ou sua ordem aparente é uma ilusão criada pela forma como as observamos? Para responder a isso, os pesquisadores devem olhar além da luz visível das estrelas e examinar a poeira e o gás invisíveis que frequentemente escondem a verdadeira natureza desses gigantes cósmicos.

Uma equipe de astrônomos voltou agora sua atenção para uma galáxia específica chamada REBELS-25, localizada em um redshift de 7,31. Essa distância significa que a luz que vemos dela partiu da galáxia quando o universo tinha apenas cerca de 700 milhões de anos. Estudos anteriores já haviam sugerido que a REBELS-25 era um sistema massivo e de formação estelar com uma estrutura rotativa, mas essas observações eram limitadas. Para obter uma imagem completa, os pesquisadores combinaram novas imagens de alta resolução do Atacama Large Millimeter/submillimeter Array com dados do Telescópio Espacial James Webb. Eles observaram a galáxia através de um amplo espectro de luz, desde o brilho ultravioleta de estrelas jovens até o calor infravermelho distante irradiado pela poeira e pelo gás. Ao costurar essas diferentes visões, eles criaram um mapa tridimensional detalhado da forma da galáxia, de suas condições internas e do movimento de seu gás.

Os resultados revelaram um contraste marcante entre o que a galáxia parece em diferentes tipos de luz. Quando visualizada na luz ultravioleta e óptica, que rastreia as estrelas quentes e jovens, a REBELS-25 parece irregular e granulada. Os pontos mais brilhantes estão espalhados pela galáxia, com alguns aglomerados brilhantes localizados a cerca de dois mil anos-luz do centro. Ela parece caótica, muito parecida com os sistemas turbulentos que os astrônomos esperavam encontrar nesse período inicial. No entanto, quando os pesquisadores mudaram sua visão para a luz infravermelha distante, que rastreia a poeira e o gás frios, a imagem mudou completamente. Nesta visão, a galáxia não é uma massa dispersa, mas um disco giratório suave. A poeira e o gás estão concentrados em uma região central, formando um disco exponencial quase perfeito, que é muito mais ordenado do que as estrelas dispersas sugerem.

Essa diferença dramática de aparência é causada pela poeira. O estudo descobriu que as regiões centrais da galáxia estão fortemente envoltas em poeira, o que bloqueia a luz ultravioleta e óptica das estrelas escondidas em seu interior. Os pesquisadores calcularam que a obscuração pela poeira esconde entre 55 e 98 por cento da formação estelar total da galáxia. No centro, onde a poeira é mais espessa, quase toda a formação estelar é invisível aos telescópios ópticos. Os aglomerados brilhantes vistos no ultravioleta são provavelmente apenas a ponta do iceberg, representando as bordas externas menos obscurecidas da galáxia onde as estrelas são visíveis. O verdadeiro coração da galáxia, onde a atividade mais intensa está acontecendo, está escondido atrás de um véu espesso de poeira, visível apenas para os olhos infravermelhos dos observatórios.

Apesar da aparência caótica das estrelas, o gás dentro da REBELS-25 conta uma história de notável estabilidade. Os pesquisadores analisaram o movimento de dois tipos diferentes de gás: o gás ionizado quente que brilha em uma linha infravermelha específica, e o gás neutro mais frio que emite um sinal infravermelho diferente. Eles descobriram que ambos os tipos de gás se movem no mesmo padrão de rotação em grande escala. O gás não está tombando aleatoriamente; ele está girando em um disco coerente. A razão entre o movimento de rotação ordenado e o movimento caótico e aleatório é muito alta, indicando que o gás é "dinamicamente frio". Isso significa que a galáxia já se estabeleceu em uma estrutura estável e rotativa, desafiando a expectativa de que galáxias nessa idade deveriam ser turbulentas e desordenadas.

O estudo também analisou a composição química da galáxia para ver se os diferentes aglomerados eram sistemas separados colidindo uns com os outros, ou partes de uma única galáxia unificada. Eles mediram as proporções de diferentes elementos químicos no gás através dos vários aglomerados. Os resultados mostraram que as condições químicas são amplamente semelhantes em toda a galáxia. O conteúdo de metais, que indica quantos elementos pesados a galáxia produziu, é alto e consistente em todas as regiões. Essa uniformidade sugere que os aglomerados brilhantes vistos no ultravioleta não são galáxias separadas e em fusão com histórias distintas. Em vez disso, eles são provavelmente regiões de formação estelar inseridas dentro do mesmo disco único e quimicamente enriquecido. A galáxia parece ser um sistema unificado que já processou uma quantidade significativa de seu gás em elementos mais pesados, atingindo um nível de maturidade química comparável às galáxias encontradas muito mais tarde no universo.

Embora a galáxia seja majoritariamente um disco giratório suave, os dados mostram alguns sinais de complexidade. Há indícios de movimentos não circulares e estruturas de pequena escala que sugerem que a galáxia não é perfeitamente lisa. Pode haver uma estrutura do tipo barra no centro, e o gás mostra alguns sinais de fluxos de entrada ou saída. Essas características indicam que, embora a galáxia tenha alcançado um estado estável, ela ainda está ativamente se montando e evoluindo. Não é um objeto estático, mas um sistema dinâmico que continua a construir a si mesmo, mesmo enquanto mantém sua ordem geral.

As descobertas para a REBELS-25 desafiam a visão de longa data de que o universo primitivo era um lugar de puro caos. Esta galáxia, existindo menos de um bilhão de anos após o Big Bang, é massiva, quimicamente rica e dinamicamente fria. Ela possui uma estrutura de disco rotativo que é surpreendentemente semelhante às galáxias encontradas bilhões de anos depois. O estudo demonstra que a poeira desempenha um papel crucial em esconder a verdadeira natureza desses sistemas antigos. Sem olhar através da poeira com telescópios infravermelhos, os astrônomos teriam visto apenas uma coleção de estrelas desordenada e granulada e perdido o elegante disco giratório escondido por baixo.

Esta pesquisa destaca a importância de observar as galáxias através de múltiplos comprimentos de onda para entender sua verdadeira natureza. Uma única visão pode ser enganosa, escondendo a ordem subjacente atrás de um véu de poeira ou obscurecendo os detalhes caóticos da formação estelar. Ao combinar o poder de diferentes telescópios, os cientistas estão começando a ver que o universo pode ter se organizado muito mais rápido do que se pensava anteriormente. A REBELS-25 serve como um testemunho dessa evolução rápida, mostrando que, mesmo nos períodos mais precoces da história cósmica, algumas galáxias já haviam encontrado seu ritmo, girando calmamente na escuridão.