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A formação de galáxias no universo segue, em teoria, alguns passos bastante simples. Começa com pequenas galáxias que crescem cada vez mais até se tornarem as galáxias gigantes que vemos no universo atual, como a nossa Via Láctea. Algo simples, certo?

Bem, esse não é exatamente o caso de uma classe específica de galáxias elípticas, que são enormes grupos esféricos de estrelas sem uma estrutura definida. Sob os auspícios da União Europeia, uma equipe de pesquisadores está se preparando para descobrir a origem dessas galáxias e resolver mais mistérios do universo.

Para fazer isso, eles viajaram de volta no tempo e usaram telescópios poderosos, capazes de seguir a luz até cantos remotos do universo. Isso permitiu que os cientistas observassem as galáxias como elas eram no passado, até mesmo bilhões de anos atrás.

"As galáxias são o mastro da bandeira do universo. Elas são a origem de tudo", disse Sune Toft, cosmóloga do Instituto Niels Bohr, na Dinamarca. “Conhecer em detalhes os contextos em que se formaram é a única maneira de entender os primórdios do universo e de onde viemos.”

Toft liderou o projeto europeu ConTExt de 2015 a 2021. Seu objetivo era observar algumas das galáxias elípticas mais antigas, remontando aos primeiros 2 bilhões de anos da história de 13,8 bilhões de anos do universo.

Viagem no tempo para cantos remotos: ainda sem respostas

Embora os pesquisadores agora tenham mais informações sobre galáxias elípticas, elas continuam sendo um mistério. “Embora sejam conhecidos há muitos anos, como se formam permanece um mistério, visto que, no universo local, todos são muito antigos e mortos”, disse Toft.

A suposição por trás de sua pesquisa é que se olharmos cada vez mais para trás no tempo, observando galáxias a bilhões de anos-luz de distância, eventualmente seremos capazes de começar a vislumbrar os progenitores dessas galáxias e explicar como elas foram capazes de crescer tanto.

"Mas não importa o quanto recuássemos em nossas observações, elas ainda pareciam galáxias velhas e mortas. Elas praticamente não apresentam formação estelar", disse Toft, referindo-se ao processo central da evolução galáctica. Isso significa que as galáxias devem ter crescido muito rapidamente no universo primitivo. Ainda não sabemos exatamente como e quando.

E isso levanta outro enigma: se as galáxias cresceram rapidamente, por que elas pararam? E o que isso significou para nossa compreensão da estrutura hierárquica das galáxias no universo, que consiste em estrelas, sistemas planetários, aglomerados estelares e galáxias? “As galáxias pequenas supostamente se formam primeiro, então como é que essas galáxias enormes foram as primeiras a se formar?” Toft perguntou.

Formação de estrelas

A hipótese deles é que essas galáxias podem ter passado por intensa formação estelar no início de sua história, tornando-se o que é conhecido como galáxias starburst. Galáxias starburst contêm quantidades extremamente densas de poeira e gás e podem formar estrelas milhares de vezes mais massivas que o nosso Sol a cada ano. Para efeito de comparação, nossa Via Láctea forma uma nova massa solar por ano, em média.

Toft trabalhou com um telescópio no Chile chamado Atacama Large Millimeter Array , bem como com os telescópios espaciais Hubble e Spitzer , que orbitavam a Terra na época. Ele descobriu que, entre o primeiro e o segundo bilhão de anos após o Big Bang, “havia galáxias formadoras de estrelas suficientes para se tornarem galáxias mortas”. Essas galáxias eram densas e compactas e se assemelhavam aos núcleos de galáxias elípticas que observamos hoje.

O trabalho de Toft foi baseado na premissa de que essas galáxias elípticas progenitoras se formaram rapidamente no universo antes que algo interrompesse sua formação estelar. Mais tarde, ao longo dos próximos 10 bilhões de anos, essas galáxias gradualmente acumularam mais estrelas, engolindo galáxias menores, cujas estrelas foram adicionadas às suas regiões periféricas. Portanto, as galáxias elípticas ainda eram velhas e mortas, mas ainda podiam crescer e se tornar imensas.

O crescimento inicial das estrelas elípticas foi possivelmente causado por fusões de galáxias que desencadearam a formação de estrelas. “Duas grandes galáxias colidem, e o gás é comprimido no centro da colisão”, explicou Toft. “Isso é o que é necessário para termos taxas de formação estelar muito altas.”

Mas o que ainda não estava claro era como essas galáxias ficaram escuras. Por que elas pararam de formar estrelas tão rapidamente e acabaram se tornando as galáxias mortas que vemos hoje?

O desligamento

Sirio Belli, astrônomo da Universidade de Bolonha, na Itália, está investigando esse problema como parte de seu projeto Cardinal Network, uma iniciativa financiada pela UE que começou em 2023 e continuará até 2028.

Usando o poderoso Telescópio Espacial James Webb ( JWST ) , orbitando o Sol, estamos rastreando essas galáxias primitivas como nunca antes. A ideia emergente é que os buracos negros encontrados nos centros dessas galáxias são responsáveis ​​por sua evolução. Atualmente, quase todas as galáxias, incluindo a nossa, contêm um buraco negro supermassivo em seu centro; um objeto enorme cuja massa pode ser de milhões a bilhões de vezes a do nosso Sol. Esses buracos negros impulsionam a formação e a evolução das galáxias, além de queimarem e expelirem gás e poeira ao longo da história de uma galáxia.

Belli descobriu que esses buracos negros também podem ser responsáveis ​​pela interrupção da formação de estrelas em galáxias primitivas, devido a um processo conhecido como extinção. ( têmpera ).

Em abril de 2024, sua equipe usou o JWST para relatar a descoberta de uma galáxia enorme que estava em processo de desligamento cerca de 2,6 bilhões de anos após o Big Bang. “Foi uma coincidência feliz poder observar esta galáxia no momento em que ela estava desaparecendo”, comentou.

A galáxia parecia estar crescendo até recentemente. “Simplesmente parou de formar estrelas”, disse Belli. "Ao mesmo tempo, descobrimos ventos poderosos emanando da galáxia. Acreditamos que isso se deva ao buraco negro supermassivo em seu centro."

A ideia, segundo Belli, é que o buraco negro se tornou extremamente ativo, o que “expulsou gás da galáxia”. "Então não há mais gás para formar novas estrelas. É como um carro sem gasolina."

O que ainda não está claro é a razão exata pela qual o buraco negro se tornou ativo. Uma possibilidade é que, quando o buraco negro engole material suficiente e adquire massa suficiente, ele de repente começa a emitir muita energia, causando seu desligamento.

"Acreditamos que quando as galáxias atingem uma certa massa, 100 bilhões de massas solares, todas elas eventualmente ficam escuras", relatou Belli. “Não observamos galáxias massivas no universo atual que ainda estejam formando estrelas.”

Um telescópio extremamente grande para pesquisas futuras

Mais respostas podem vir de novos telescópios como o European Extremely Large Telescope (ELT) , que está sendo construído no Chile e tem previsão de início das observações para 2028.

“Com o ELT, podemos observar o interior dessas galáxias em detalhes” no universo primitivo, observou Belli, algo que o JWST não pode oferecer.

Isso informaria aos pesquisadores a taxa geral de formação de estrelas, mas também "onde as estrelas estão se formando", disse ele. “Se o ELT funcionar como prometido, será incrível.” Determinar como o processo de extinção funciona é crucial para resolver o mistério de por que as galáxias morrem, uma questão que continua a deixar os cientistas perplexos.

“Não deveria ser possível, porque quando uma galáxia está no início do universo, ela está cheia de gás”, observou Toft. Como passamos de uma formação de milhares de massas solares por ano para o nada? Se quisermos provar que os buracos negros são os responsáveis, precisamos encontrar galáxias em processo de desligamento. Se pudermos entender isso, saberemos como o cosmos surgiu como o conhecemos hoje.

A pesquisa descrita neste artigo foi financiada pelo Conselho Europeu de Pesquisa (ERC). As opiniões dos entrevistados não refletem necessariamente as da Comissão Europeia. Se você gostou deste artigo, compartilhe-o em suas redes sociais.

Este artigo foi publicado originalmente na Horizon , a revista de pesquisa e inovação da União Europeia.