Astrofísicos Descobrem os Segredos por Detrás da Formação de Galáxias Maciças

Galáxias elípticas NGC 4038 e NGC 4039 em colisão. (NASA/ESA/Hubble Heritage Team/AURA/B. Whitmore et al.)

É simultaneamente humilhante e inspirador pensar no muito que ainda há para descobrir sobre o Universo. Os meus colaboradores e eu abordámos recentemente um dos mistérios de longa data da astrofísica: como se formam as galáxias elípticas maciças.

Pela primeira vez, dispomos agora de fortes provas observacionais para responder a esta questão, tal como detalhado no nosso estudo recentemente publicado na revista Nature.

Dois tipos de Galáxias

No Universo atual, as galáxias dividem-se em duas categorias principais. As galáxias em espiral, como a nossa Via Láctea, são ricas em gás e formam ativamente estrelas num disco em rotação. Por outro lado, as galáxias elípticas são estruturas grandes e esféricas que se assemelham a bolas de râguebi. Estas galáxias já não produzem novas estrelas, alojando principalmente estrelas formadas há mais de 10 mil milhões de anos.

Explicar como é que as galáxias elípticas evoluíram de discos planos e rotativos para a sua atual forma tridimensional tem constituído um desafio para os modelos cosmológicos. Durante a época em que estas galáxias se formaram, há cerca de 10 a 12 mil milhões de anos, pensava-se que a formação de estrelas ocorria no interior de grandes discos rotativos. Isto levanta uma questão crítica: como é que estas galáxias planas se transformaram nas elípticas esféricas que vemos hoje?

Percepções das observações do ALMA

Usando dados do Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), identificámos os locais de nascimento de galáxias elípticas gigantes. Contrariamente às expectativas, descobrimos que as galáxias elípticas se formaram através de episódios intensos e de curta duração de formação estelar no início da história do Universo, em vez de começarem como discos rotativos que mais tarde evoluíram para formas elípticas.

A nossa investigação analisou a distribuição de poeira em mais de 100 galáxias distantes, activas quando o Universo tinha entre 2,2 e 5,9 mil milhões de anos. A poeira actua como um marcador para o gás – a matéria-prima para a formação de estrelas – permitindo-nos estudar as regiões de formação de estrelas nestas galáxias.

Usando uma técnica de observação inovadora, descobrimos que a poeira nestas galáxias era incrivelmente compacta, ao contrário da estrutura das galáxias planas, em forma de disco. A geometria tridimensional destas regiões de poeira indicou que as primeiras galáxias de formação estelar já eram esféricas, muito semelhantes às actuais galáxias elípticas.

Para compreender os processos físicos subjacentes, utilizámos simulações cosmológicas computorizadas. Estas revelaram que os fluxos de gás frio das galáxias circundantes, combinados com interações e fusões, conduziram o gás e a poeira para núcleos densos nos centros destas primeiras galáxias. Este mecanismo alimentou a rápida formação de estrelas e conduziu às formas compactas e esféricas observadas.

Este processo, comum no Universo primitivo, explica a rápida formação de galáxias elípticas e acrescenta uma peça crucial ao puzzle da evolução das galáxias.

Um Avanço nas Técnicas de Observação

As nossas descobertas foram possíveis graças a um novo método de análise de dados do ALMA. Ao contrário dos telescópios ópticos tradicionais, o ALMA usa interferometria – combinando sinais de múltiplas antenas para produzir imagens nítidas de galáxias distantes.Esta técnica avançada permitiu-nos medir a distribuição de poeira com uma precisão sem precedentes, melhorando significativamente os métodos anteriores.
Baseámo-nos em dados de arquivo do ALMA, de acesso livre, recolhidos ao longo de vários anos.Isto sublinha o poder dos dados abertos e da colaboração internacional na condução do progresso científico.

O que é que se segue?

Observações futuras com o Telescópio Espacial James Webb (JWST) e o telescópio espacial Euclid irão mapear a distribuição de estrelas nos antepassados distantes das galáxias elípticas.O Extremely Large Telescope, com o seu espelho de 39 metros, oferecerá um pormenor sem paralelo dos núcleos de formação de estrelas nestas galáxias.

Adicionalmente, observações mais nítidas da dinâmica do gás com o ALMA e o Very Large Telescope irão lançar luz sobre a forma como o gás flui para os centros das galáxias, alimentando a formação de estrelas e moldando as galáxias que vemos atualmente. Estes avanços irão aprofundar o nosso conhecimento sobre as origens e a evolução das maiores galáxias do Universo.

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