Uma equipe internacional de cientistas liderada pelo Centro de Astrobiologia (CAB, CSIC-INTA), com participação do Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), utilizou o Gran Telescopio Canarias (GTC) para estudar uma amostra representativa de galáxias, tanto de disco como esferoidal, em uma zona de céu profundo na constelação da Ursa Maior para caracterizar as propriedades das populações estelares de protuberâncias galácticas. 

Um exemplo de uma galáxia espiral próxima, M81, onde a protuberância e o disco são facilmente identificados. Crédito: NASA / JPL-Caltech / ESA / Harvard-Smithsonian CfA.

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Os pesquisadores conseguiram determinar o modo de formação e desenvolvimento dessas estruturas galácticas. Os resultados deste estudo foram publicados recentemente no The Astrophysical Journal.

Os pesquisadores concentraram seu estudo em disco massivo e galáxias esferoidais, usando dados de imagem do Telescópio Espacial Hubble e dados espectroscópicos do projeto SHARDS (Pesquisa para Fontes Vermelhas e Mortas de Alta-z Absorção), um programa de observações sobre o GOODS-N completo (Great Observatories Origins Deep Survey - North) através de 25 filtros diferentes obtidos com o instrumento OSIRIS no Gran Telescopio Canarias (GTC), o maior telescópio óptico e infravermelho do mundo, no Observatório Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma , Ilhas Canárias).

A análise dos dados permitiu aos pesquisadores descobrir algo inesperado: as protuberâncias das galáxias discais formaram-se em duas ondas. Um terço das protuberâncias nas galáxias de disco foram formadas no redshift 6.2, que corresponde a uma época inicial no Universo, quando tinha apenas 5% de sua idade atual, cerca de 900 milhões de anos. “Essas saliências são relíquias das primeiras estruturas formadas no Universo, que encontramos escondidas nas galáxias discais locais”, explica Luca Costantin, pesquisador do CAB dentro de um programa de Atração de Talentos da Comunidade de Madrid, e o primeiro autor no artigo.

Imagens de algumas das galáxias estudadas no presente trabalho, muito mais distantes e mais fracas, de modo que estudar suas estruturas é mais complexo e só é possível com dados muito precisos fornecidos pelo GTC e Hubble. A galáxia à esquerda e a central são duas galáxias de disco, enquanto a galáxia da direita é esferoidal. Crédito: Luca Costantin et al.

Mas, em contraste, quase dois terços dos bojos observados apresentam um valor médio de redshift em torno de 1,3, o que significa que foram formados muito mais recentemente, correspondendo a uma idade de quatro bilhões de anos, ou quase 35% da idade do Universo.

Uma característica peculiar que permite a distinção entre as duas ondas é que as saliências centrais da primeira onda, as saliências mais antigas, são mais compactas e densas do que as formadas na segunda onda, mais recente. Além disso, os dados das galáxias esferoidais na amostra mostram um valor médio de desvio para o vermelho de 1,1, o que sugere que eles se formaram no mesmo tempo geral que as protuberâncias da segunda onda.

Para Jairo Méndez Abreu, pesquisador da Universidade de Granada (UGR) e coautor do artigo, ex-pesquisador de pós-doutorado de Severo Ochoa no IAC, “a ideia por trás da técnica utilizada para observar as estrelas no centro do bojo é bastante simples, mas não foi possível aplicá-lo até o recente desenvolvimento de métodos que nos permitiram separar a luz das estrelas no bojo central daquelas no disco, para ser específico os algoritmos GASP2D e C2D, que desenvolvemos recentemente e que nos permitiu atingir uma precisão sem precedentes".

Imagem do estudo do céu profundo pelo Telescópio Espacial Hubble, denominado GOODS-N (Great Observatories Origins Deep Survey - North). Crédito: NASA, ESA, G. Illingworth (Universidade da Califórnia, Santa Cruz), P. Oesch (Universidade da Califórnia, Santa Cruz; Universidade de Yale), R. Bouwens e I. Labbé (Universidade de Leiden) e a equipe científica.

Outro resultado importante do estudo é que as duas ondas de formação de protuberâncias diferem não apenas em termos da idade de suas estrelas, mas também em termos de taxas de formação estelar. Os dados indicam que as estrelas nas protuberâncias da primeira onda se formaram rapidamente, em escalas de tempo tipicamente de 200 milhões de anos. Pelo contrário, uma fração significativa das estrelas nos bojos da segunda onda exigiu tempos de formação cinco vezes mais longos, alguns bilhões de anos.

"Descobrimos que o Universo tem duas maneiras de formar as zonas centrais de galáxias como a nossa: começando cedo e tendo um desempenho muito rápido, ou demorando para começar, mas finalmente formando um grande número de estrelas no que conhecemos como protuberância", comenta Pablo G. Pérez González, pesquisador do CAB e Pesquisador Principal do projeto SHARDS, que forneceu dados essenciais para este estudo. Nas palavras de Antonio Cabrera, Chefe de Operações Científicas do GTC, “o SHARDS é um exemplo perfeito do que é possível pela combinação da enorme capacidade de coleta do GTC e as condições extraordinárias do Observatório Roque de los Muchachos, produzir 180 horas de dados com essa excelente qualidade de imagem, essencial para a detecção dos objetos aqui analisados??”.

Conforme descreve Paola Dimauro, pesquisadora do Observatório Nacional do Brasil e coautora deste artigo, “este estudo nos permitiu explorar a evolução morfológica e a história da montagem dos componentes estruturais das galáxias, análogos a estudos arqueológicos, analisando as informações codificadas nas milhões de estrelas de cada galáxia. O interessante foi descobrir que nem todas as estruturas se formaram ao mesmo tempo, ou da mesma forma".

Os resultados deste estudo permitiram aos observadores estabelecer um curioso paralelo entre a formação e a evolução ao longo do tempo dos estudos das galáxias discais e a criação e desenvolvimento de uma grande cidade ao longo dos séculos. Assim como descobrimos que algumas grandes cidades têm centros históricos, que são mais antigos e abrigam os edifícios mais antigos em ruas estreitas e desordenadas, os resultados deste trabalho sugerem que alguns dos centros de galáxias de disco massivas abrigam alguns dos esferoides mais antigos formados no Universo, que foram adquirindo material, formando discos mais lentamente, uma nova periferia da cidade em nossa analogia.

Mais informações:

Luca Costantin et al, A Duality in the Origin of Bulges and Spheroidal Galaxies, The Astrophysical Journal (2021). DOI: 10.3847/1538-4357/abef72

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Referência:

Origin of first structures formed in galaxies like the Milky Way identified. Phys Org, 07, jun. 2021. Instituto de Astrofísica de Canarias. Disponível em: <https://phys.org/news/2021-06-galaxies-milky.html>. Acesso em: 08, jun. 2021.