3 anos do telescópio James Webb: eis o que foi descoberto

Há três anos, a 25 de dezembro de 2021, assistimos ao lançamento emocionante do Telescópio Espacial James Webb, o maior e mais poderoso telescópio que a humanidade alguma vez enviou para o espaço.

Foram necessários 30 anos para o construir, mas em apenas três anos de operação, o Webb já revolucionou a nossa visão do cosmos.

Explorou o nosso próprio sistema solar, estudou as atmosferas de planetas distantes em busca de sinais de vida e investigou as profundezas do universo para encontrar as primeiras estrelas e galáxias.

Eis o que o James Webb nos ensinou sobre o universo primitivo desde o seu lançamento e os novos mistérios que revelou.

Here is that moment, preserved for posterity! #UnfoldTheUniverse #NASAWebb pic.twitter.com/p5KpZGVB1C

— NASA Webb Telescope (@NASAWebb) December 25, 2021

Monstros azuis misteriosos

O Webb expandiu os limites do quão longe conseguimos olhar no universo para encontrar as primeiras estrelas e galáxias. Localizado no espaço, livre da atmosfera terrestre, tem condições perfeitas para que os seus detetores de infravermelhos espreitem as profundezas do cosmos.

O recorde atual da galáxia mais distante confirmada pelo Webb remonta a quando o universo tinha apenas cerca de 300 milhões de anos. Nesse curto intervalo de tempo, esta galáxia conseguiu surpreendentemente crescer até atingir cerca de 400 milhões de vezes a massa do nosso Sol.

Isto indica que a formação de estrelas no universo primitivo era extremamente eficiente. E esta galáxia não é a única.

A Near Infrared Camera (NIRCam) no telescópio espacial James Webb tirou esta imagem infravermelha para o programa JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, ou JADES. Esta galáxia existiu menos de 300 milhões de anos após o Big Bang. Imagem via NASA /ESA/ CSA/ STScI

Quando as galáxias crescem, as suas estrelas explodem como supernovas, criando poeira. Quanto maior a galáxia, mais poeira ela tem. Essa poeira faz com que as galáxias pareçam avermelhadas, porque absorvem a luz azul. Mas aqui está o mistério: o Webb mostrou que estas primeiras galáxias são surpreendentemente brilhantes, massivas e muito azuis, sem qualquer sinal de poeira.

Existem muitas teorias para explicar a estranheza destas galáxias.

Terão elas estrelas gigantes que colapsam devido à gravidade sem explosões massivas? Ou explosões tão grandes que toda a poeira é expelida, expondo um núcleo azul e limpo? Talvez a poeira seja destruída pela intensa radiação dessas estrelas exóticas? Ainda não sabemos.

Química invulgar em galáxias primitivas

As primeiras estrelas foram os blocos fundamentais para o que eventualmente se tornou a vida. O universo começou apenas com hidrogénio, hélio e uma pequena quantidade de lítio. Todos os outros elementos, do cálcio nos nossos ossos ao oxigénio que respiramos, foram forjados nos núcleos dessas estrelas.

O Webb descobriu que as galáxias primitivas têm características químicas invulgares.

Elas contêm uma quantidade significativa de azoto – muito mais do que observamos no nosso Sol – enquanto a maioria dos outros metais está presente em menores quantidades. Isto sugere que houve processos no universo primitivo que ainda não compreendemos totalmente.

O Webb mostrou que os nossos modelos sobre como as estrelas impulsionam a evolução química das galáxias estão incompletos, indicando que ainda não entendemos completamente as condições que levaram à nossa existência.

Diferentes elementos químicos observados em uma das primeiras galáxias do universo descobertas pelo Webb. Imagem adaptada de Castellano et al., 2024 / The Astrophysical Journal / JWST-GLASS e UNCOVER Teams.

Pequenos elementos que terminaram as idades escuras do cosmos

Usando enormes aglomerados de galáxias como lentes de aumento gigantes – num processo chamado de lente gravitacional – o Webb conseguiu observar profundamente o cosmos para encontrar as galáxias mais ténues até hoje.

Descobriu muito mais galáxias ténues do que o esperado. E estas galáxias estão a emitir mais de quatro vezes os fotões energéticos (partículas de luz) que os cientistas previam.

A descoberta sugere que a luz destas pequenas galáxias pode ter desempenhado um papel crucial no fim das “idades escuras” do cosmos, pouco depois do Big Bang. Ou seja, acredita-se que estes fotões ionizaram e limparam o nevoeiro opaco de hidrogénio que permeava o universo primitivo.

Os misteriosos pequenos pontos vermelhos

As primeiras imagens do Webb levaram a outra descoberta dramática e inesperada. O universo primitivo está repleto de uma abundância de “pequenos pontos vermelhos”: fontes compactas de cor vermelha de origem desconhecida.

Inicialmente, os cientistas pensaram que eram galáxias massivas e incrivelmente densas. Mas observações detalhadas ao longo do último ano revelaram uma combinação de propriedades enigmáticas e contraditórias.

Alguma da luz proveniente destes pontos parece não vir de estrelas, mas de gás de hidrogénio brilhante a mover-se a milhares de quilómetros por segundo – característica de gás a girar em torno de um buraco negro supermassivo.

Uma montagem de algumas das intrigantes galáxias 'pequenos pontos vermelhos' que Webb avistou no universo primitivo. Imagem via J. Matthee et al., 2024.

Este fenómeno, conhecido como núcleo galáctico ativo, geralmente indica um “banquete” em que o buraco negro supermassivo está a engolir todo o gás à sua volta e a crescer rapidamente.

No entanto, estes não são núcleos galácticos ativos comuns. Para começar, não emitem raios-X detetáveis. E, de forma ainda mais intrigante, têm características que associaríamos a grupos de estrelas.

Poderão estas galáxias ser populações de estrelas e núcleos galácticos ativos ao mesmo tempo? Ou um estágio evolutivo intermédio? Seja o que for, os pequenos pontos vermelhos provavelmente ensinar-nos-ão algo sobre o nascimento de buracos negros supermassivos e estrelas em galáxias.

Localização da galáxia JADES-GS-z7-01-QU numa imagem do James Webb | Imagem: NASA.

Galáxias impossivelmente precoces

Além de galáxias primitivas extremamente ativas, o Webb também encontrou galáxias extremamente “mortas”. Estas galáxias primitivas são relíquias de intensa formação estelar no amanhecer cósmico.

Estes cadáveres já tinham sido encontrados por Hubble e telescópios terrestres, mas só o Webb teve o poder de analisar a sua luz e revelar há quanto tempo estão “mortos”.

Descobriu galáxias extremamente massivas (tão massivas quanto a nossa Via Láctea atual, ou até mais) que se formaram nos primeiros 700 milhões de anos da história cósmica. Os nossos modelos atuais de formação de galáxias não conseguem explicar estes objetos; são grandes demais e formaram-se demasiado cedo.

Os cosmólogos ainda debatem se os modelos podem ser ajustados (por exemplo, talvez a formação estelar primitiva tenha sido extremamente eficiente) ou se precisamos reconsiderar a natureza da matéria escura e como ela dá origem a objetos colapsados primitivos.

O que se segue para o Webb?

Nos seus primeiros passos, o Webb já revelou muitas falhas nos nossos modelos atuais do universo. Enquanto refinamos os modelos para incorporar as descobertas do James Webb, o que mais nos entusiasma são os mistérios desconhecidos.

Por exemplo, os misteriosos pontos vermelhos estavam escondidos. Assim, resta-nos ir espreitando para as profundezas do cosmos. E nisso o Telescópio Espacial James Webb é o melhor que temos.