Devemos questionar a idade do Universo? É uma ideia antiga que tem surgido repetidamente há várias décadas na cosmologia e que, sempre, surge do espanto de astrofísicos quando nós explorarmos estratos de luz cada vez mais profunda e, portanto, antiga com o telescópio Hubble e agora com o James-Webb. Descobrimos então e ainda hoje populações de galáxias já de grande tamanho e com um enriquecimento significativo em elementos pesados como carbonoeu’azoto e ooxigênio.
Porém, os cálculos analíticos, depois as simulações da formação de galáxias tiveram cada vez mais dificuldade em contabilizar essas galáxias, elas não deveriam ter tido tempo de crescer ou se enriquecer em elementos pesados. através de lá nucleossíntese nas primeiras gerações deestrelas então explodindo em supernovasque injetou esses elementos no meio interestelar, dando origem a um ciclo de formação e morte de estrelas, fazendo com que as galáxias evoluíssem quimicamente.
É claro que as simulações fornecem tempos médios de formação para grandes galáxias. Numa distribuição estatística, há sempre uma população pequena que é um pouco excepcional e os cosmólogos poderiam pensar, no início, que nos deparámos com estas pequenas populações principalmente porque as galáxias eram maiores e, portanto, mais fáceis de detectar.
Mas este raciocínio tem limites e torna-se cada vez menos credível à medida que descobrimos populações mais jovens e cada vez mais numerosas de grandes galáxias, especialmente quando se trata de galáxias elípticas.
Durante 13,8 mil milhões de anos, o Universo continuou a evoluir. Ao contrário do que nos dizem os nossos olhos quando contemplamos o céu, o que o compõe está longe de ser estático. Os físicos fazem observações em diferentes idades do Universo e realizam simulações nas quais reproduzem sua formação e evolução. Parece que a matéria escura desempenhou um papel importante desde o início do Universo até à formação das grandes estruturas observadas hoje. © CEA Pesquisa
Quais modelos para o crescimento das galáxias?
Vamos ser um pouco mais específicos. De acordo com os modelos inicialmente propostos, também apoiados em observações, logo no início da história da cosmos observável e algumas centenas de milhões de anos após o Big Banguma população de galáxias espirais anões teriam sido formados primeiro por colapso gravitacional nuvens dehidrogênio ehélio deixado para trás pelo Big Bang. Então, durante os primeiros mil milhões de anos, estas galáxias devem ter colidido para se fundirem e, portanto, crescerem lentamente.
Iríamos obter grandes galáxias espirais ainda ricas em gás e com formação estelar significativa, então vemos cada vez mais galáxias elípticas grandes produzidas a partir do fusão grandes galáxias espirais, galáxias elípticas onde, por razões ainda pouco compreendidas hoje, a formação de estrelas parou em grande parte devido à falta de gás.
Mais recentemente, o paradigma mudou e envolveu um crescimento mais rápido, envolvendo primeiro grandes filamentos de matéria escura, capazes de canalizar fluxos de matéria bariônica fria fazendo com que as galáxias alimentadas por esses fluxos cresçam mais facilmente.
No entanto, mesmo que pudéssemos explicar com menos problemas por que já víamos galáxias elípticas evoluindo cerca de 1 a 2 mil milhões de anos após o Big Bang, a situação tornou-se novamente problemática com descobertas de grandes galáxias já presentes há cerca de 500 milhões de anos.
A solução mais óbvia parece ser que temos simplesmente de considerar um Universo com mais de 13,8 mil milhões de anos, o que daria às galáxias mais tempo para evoluir. Alguns não hesitaram em ir mais longe, questionando a teoria do Big Bang, em particular em favor de teorias que propõem que o cosmos observável é infinitamente antigo e sem nascimento.
No entanto, sabemos que isso não é possível sem acrescentar toda uma série de epiciclos pouco credíveis. Na verdade, por exemplo, temos um teoria da evolução estrelas, particularmente em aglomerados estelares, e o química galáxias no que diz respeito à abundância de elementos que também podem ser usados para datá-las. Certos núcleos radioactivos são instáveis e desintegram-se noutros núcleos, dando, como na geoquímica da Terra, uma espécie de ampulheta cósmica que mede o tempo decorrido desde a sua síntese em estrelas destinadas a morrer em supernovas. As idades que podem ser deduzidas são perfeitamente compatíveis com as derivadas da cosmologia relativista e da teoria do Big Bang.
Uma conferência de Romain Teyssier sobre cosmologia digital aplicada ao nascimento e evolução das galáxias. As simulações começam tendo como condições iniciais as restrições às flutuações na densidade da matéria aproximadamente 400 mil anos após o Big Bang, como ensina o mapa de radiação fóssil elaborado com o satélite Planck. O investigador explica sobretudo que de acordo com a acuidade da modelação da física dos bárions (em particular com uma resolução cada vez maior no que diz respeito às escalas de espaço e tempo nas simulações) com a formação de estrelas e não apenas tendo em conta a física da matéria escura, surge uma grande diversidade de fenómenos e especialmente de formatos de galáxias. © Colégio de França
Consequências da matéria escura ou Mond, ou…?
Sem chegar ao ponto de pôr em causa a idade do Universo observável e a teoria do Big Bang, alguns argumentaram que a solução para o enigma talvez envolva pôr em causa a existência do matéria escura em benefício de modificações nas leis da mecânica celeste newtoniana no âmbito da Teoria de segunda. O crescimento das galáxias é de facto acelerado e talvez perfeitamente compatível com as observações mais recentes de James-Webb.
Deve-se ter em mente, entretanto, que as primeiras simulações de formação de galáxias, baseadas no fato de que as densidades de matéria escura dominariam por suas gravitação as densidades da matéria bariônica normal, apenas levou em conta a evolução da distribuição e o condensação de matéria escura – além do mais porque o computadores de várias décadas atrás ainda não eram suficientemente poderosos para levar em conta a evolução da matéria normal.
Na verdade, a sua distribuição na forma de uma nuvem de gás também depende de explosões de supernovas e ventos/jatos de matéria buracos negros supermassivos. De forma mais geral, não poderíamos excluir que pequenos detalhes do comportamento da matéria mal compreendidos e levados em consideração estivessem de fato por trás do aparecimento inicial de grandes galáxias, sem a necessidade de alterar a idade do cosmos observável ou de prescindir da matéria escura com Mond.
Durante anos, uma nova janela para o Universo foi aberta com o lançamento das primeiras observações científicas na rede Alma (Matriz Milimétrica/submilimétrica Grande Atacama). Observe o telescópio terrestre mais complexo do mundo em ação e dê uma espiada em suas imagens únicas do Universo. Para obter uma tradução francesa bastante precisa, clique no retângulo branco no canto inferior direito. As legendas em inglês devem aparecer. Em seguida, clique na porca à direita do retângulo, depois em “Legendas” e por fim em “Traduzir automaticamente”. Escolha “Francês”. © NRAO
Novos dados da rede de radiotelescópios Alma (Matriz Milimétrica/submilimétrica Grande Atacama), no Chile, acabam de fornecer argumentos adicionais àqueles que pensam que podemos explicar, no âmbito da modelo cosmológico padrãoo nascimento precoce de galáxias elípticas.
Podemos nos convencer disso lendo o artigo de acesso aberto em arXiv que devemos a uma equipa internacional liderada por investigadores do Max-InstitutPrancha de Pesquisa em Astronomia (MPIfR), Alemanha. Tal como explicado num comunicado de imprensa do MPIfR, estas observações dizem respeito em particular a um protocoloaglomerado de galáxias observado como foi cerca de 1,4 bilhão de anos após o Big Bang e que já esteve em destaque recentemente por ser o objeto denominado SPT2349-56, localizado no constelação ao sul da Fênix.
O coração dos aglomerados galácticos, uma incubadora de galáxias elípticas?
Na verdade, no centro deste aglomerado protogaláctico em formação, podemos ver quatro galáxias em forte interação gravitacional e formando uma estrela a cada 40 minutos! É estonteante saber que atualmente leva um ano inteiro para que três ou quatro estrelas se formem no Via Láctea !
Acima de tudo, os dados da Alma, combinados com simulações digitaissugerem agora que as condições prevalecentes no núcleo dos proto-aglomerados que sofreram colapso gravitacional e crescimento tornaram as colisões entre galáxias jovens muito mais frequentes.
Estas aceleraram então o seu crescimento e a formação de elementos pesados devido à febril formação estelar que acompanha as interações gravitacionais entre galáxias em processo de colisão e fusão, com correntes de matéria formando braços de maré ejetado das galáxias pela gravitação.
Imagens do conjunto de radiotelescópios Alma revelam enormes braços cheios de gás e poeira, formados quando as galáxias se mantiveram firmemente unidas através da sua atração gravitacional mútua, apenas 1,4 mil milhões de anos após o Big Bang. Como mostra a simulação, estas colisões levaram ao colapso do próprio núcleo do jovem aglomerado de galáxias. Este vídeo é baseado num estudo do Instituto Max Planck de Radioastronomia, para o qual contribuíram os astrónomos Nikolaus Sulzenauer, Axel Weiß e Amélie Saintonge. A simulação foi realizada por Duncan MacIntyre e Joel Tsuchitori, da Universidade da Colúmbia Britânica, em colaboração com Doug Rennehan. © Instituto Max Planck de Radioastronomia
Isto é de facto o que podemos compreender a partir dos comentários no comunicado de imprensa do MPIfR feitos por Nikolaus Sulzenauer, estudante de doutoramento no Instituto Max Planck de Investigação sobre físico de galáxias na Universidade de Bonn e primeiro autor do estudo publicado.
Sulzenauer explica assim sobre o quarteto de galáxias no coração de SPT2349-56 que “ projeta braços de maré gigantescos e coerentes a 300 quilómetros por segundo, estendendo-se por uma área muito maior que a Via Láctea. Eles brilham intensamente em comprimento de onda submilimétrico, seu brilho sendo aumentado dez vezes pelas ondas de choque que excitam o átomos carbono ionizado. Esse emissão intenso nos permitiu medir com precisão o movimento gás nesta espiral ejetada gravitacionalmente, semelhante a um colar de pérolas envolvendo o núcleo do protoaglomerado. Para nossa surpresa, aglomerados de detritos de maré estão ligados a uma cadeia de outras 20 galáxias em colisão nas partes externas da estrutura em colapso. Isto sugere uma origem comum. Pela primeira vez, estamos a testemunhar o início de uma transformação em cascata de fusões. A maioria das 40 galáxias ricas em gás neste núcleo serão destruídas e eventualmente se transformarão em uma galáxia elíptica gigante em menos de 300 milhões de anos – um pequeno período de tempo. “.