Uma das principais missões do Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA é sondar o universo primitivo. Agora, a resolução e sensibilidade incomparáveis do instrumento NIRCam de Webb revelaram, pela primeira vez, o que existe no ambiente local das galáxias no Universo muito primitivo.

Isto resolveu um dos mistérios mais intrigantes da astronomia: a razão pela qual os astrónomos detectam luz proveniente de átomos de hidrogênio que deveriam ter sido totalmente bloqueados pelo gás primitivo que se formou após o Big Bang. Estas novas observações do Webb encontraram objetos pequenos e ténues em torno das próprias galáxias que mostram a "inexplicável" emissão de hidrogénio.

Em conjunto com simulações de última geração de galáxias no universo primitivo, as observações mostraram que a fusão caótica destas galáxias vizinhas é a fonte desta emissão de hidrogênio. Essas descobertas foram publicadas na Nature Astronomy .

A luz viaja a uma velocidade finita (300.000 quilômetros por segundo), o que significa que quanto mais longe uma galáxia está, mais tempo leva para a luz dela chegar ao nosso sistema solar. Como resultado, as observações das galáxias mais distantes não só sondam os confins do universo, mas também nos permitem estudar o universo como ele era no passado.

Para estudar o Universo primitivo, os astrónomos necessitam de telescópios excepcionalmente poderosos, capazes de observar galáxias muito distantes – e, portanto, muito ténues. Uma das principais capacidades do Webb é a sua capacidade de observar essas galáxias muito distantes e, portanto, de sondar a história inicial do universo. Uma equipe internacional de astrônomos fez excelente uso da incrível capacidade de Webb na resolução de um mistério de longa data na astronomia.

As primeiras galáxias eram locais de formação estelar vigorosa e ativa e, como tal, eram fontes ricas de um tipo de luz emitida por átomos de hidrogênio chamada emissão Lyman-. No entanto, durante a época da reionização, uma imensa quantidade de gás hidrogénio neutro rodeou estas áreas de formação estelar ativa (também conhecidas como berçários estelares).

Além disso, o espaço entre as galáxias foi preenchido por mais deste gás neutro do que é o caso hoje. O gás pode absorver e espalhar de forma muito eficaz este tipo de emissão de hidrogênio, por isso os astrónomos previram há muito tempo que a abundante emissão de Lyman- libertada no Universo primitivo não deveria ser observável hoje.

No entanto, esta teoria nem sempre resistiu a um exame minucioso, uma vez que exemplos de emissões muito precoces de hidrogênio foram previamente observados por astrónomos. Isto apresentou um mistério: como é que esta emissão de hidrogênio – que já deveria ter sido absorvida ou dispersada há muito tempo – está a ser observada?

O pesquisador da Universidade de Cambridge e investigador principal do novo estudo, Callum Witten, elabora: “Uma das questões mais intrigantes que as observações anteriores apresentaram foi a detecção de luz de átomos de hidrogênio no universo primitivo , que deveria ter sido totalmente bloqueada pelo gás neutro imaculado que se formou após o Big Bang. Muitas hipóteses foram sugeridas anteriormente para explicar a grande fuga desta emissão 'inexplicável'."

O avanço da equipe veio graças à extraordinária combinação de resolução angular e sensibilidade de Webb. As observações com o instrumento NIRCam de Webb foram capazes de resolver galáxias menores e mais fracas que circundam as galáxias brilhantes nas quais a inexplicável emissão de hidrogênio foi detectada. Por outras palavras, os arredores destas galáxias parecem ser um local muito mais movimentado do que pensávamos anteriormente, cheio de galáxias pequenas e ténues.

Crucialmente, estas galáxias mais pequenas estavam a interagir e a fundir-se umas com as outras, e Webb revelou que as fusões de galáxias desempenham um papel importante na explicação da emissão misteriosa das primeiras galáxias.

Sergio Martin-Alvarez, membro da equipe da Universidade de Stanford, acrescenta: "Onde o Hubble estava vendo apenas uma grande galáxia, Webb vê um aglomerado de galáxias menores interagindo, e esta revelação teve um enorme impacto em nossa compreensão da inesperada emissão de hidrogênio de alguns das primeiras galáxias."

A equipe então usou simulações computacionais de última geração para explorar os processos físicos que poderiam explicar seus resultados. Eles descobriram que o rápido aumento de massa estelar através de fusões de galáxias levou a uma forte emissão de hidrogénio e facilitou a fuga dessa radiação através de canais livres do abundante gás neutro. Assim, a elevada taxa de fusão das galáxias mais pequenas, anteriormente não observadas, apresentou uma solução convincente para o enigma de longa data da inexplicável emissão inicial de hidrogênio.

A equipa está a planear observações de acompanhamento com galáxias em vários estágios de fusão, a fim de continuar a desenvolver a sua compreensão de como a emissão de hidrogénio é ejetada destes sistemas em mudança. Em última análise, isto permitir-lhes-á melhorar a nossa compreensão da evolução das galáxias.