A PÉROLA NEGRA: UMA IMPRESSÃO DIGITAL DE POEIRA 500 MILHÕES DE ANOS APÓS O BIG BANG

O Telescópio Espacial James Webb continua descobrindo que as galáxias se encheram de metais e poeira surpreendentemente depressa, ainda no primeiro bilhão de anos da história cósmica. A poeira é difícil de estudar a tamanha distância: o seu próprio brilho térmico é extremamente difícil de detectar. Mas a poeira também deixa marcas na luz das estrelas que a atravessa, e uma dessas marcas é especialmente reveladora.

Uma depressão no ultravioleta

Na Via Láctea, a poeira atenua a luz ultravioleta com uma ampla “saliência” (bump) centrada perto de 2175 ångströms: uma depressão no espectro, a característica mais forte da curva de extinção da nossa Galáxia. Ela é amplamente atribuída a pequenos grãos ou moléculas ricos em carbono, embora ainda se debata quais exatamente — pequenos grãos de grafite, hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs) e carbono amorfo estão entre os candidatos. Ao longo de diferentes linhas de visada na Via Láctea, a largura e a intensidade da saliência variam, mas a sua posição central é notavelmente estável.

O Webb levou a busca ao universo primordial. Uma detecção marcante veio de uma galáxia com redshift de 6,71, cerca de 800 milhões de anos após o Big Bang, com uma saliência com pico em cerca de 2263 Å — mais vermelha do que na Via Láctea. Outra, com redshift de 7,11, tem pico em 2257 Å. Em média, a saliência parece enfraquecer à medida que se recua no tempo.

Uma galáxia com redshift de 9,33

Giulia Rodighiero, da Universidade de Pádua e do INAF, e cerca de cinquenta coautores na Europa, nas Américas e na Ásia examinaram espectros do NIRSpec do Webb provenientes de dois programas coordenados, ZENITH e EMBER. Analisaram fontes além do redshift 8, onde a região de 2175 Å é coberta, sem escolher aquelas que já mostravam uma saliência. Uma se destacou. Eles a chamam de Pérola Negra — o artigo não diz por quê.

Linhas de emissão do hidrogênio e do oxigênio a situam em redshift 9,3335, vista como era cerca de 500 milhões de anos após o Big Bang. É uma galáxia bastante pequena, com uma massa estelar de cerca de 10^8,35 sóis, que forma aproximadamente o equivalente a 2,4 sóis em estrelas por ano, e uma das galáxias mais luminosas no ultravioleta confirmadas espectroscopicamente além do redshift 9.

Duas maneiras de ver a mesma depressão

O seu espectro mostra uma depressão ampla exatamente onde ficaria uma saliência de poeira. A equipe a mediu de duas maneiras independentes.

Primeiro, diretamente: ajustar o contínuo ultravioleta com uma curva suave e medir a atenuação extra. A depressão é detectada a 17,6 sigma, e acrescentar um perfil em forma de saliência melhora enormemente o ajuste (um χ² de 474 cai para 8,2). O perfil tem pico em 2132 ± 17 Å, com largura de 413 ± 54 Å e atenuação máxima de 0,21 magnitudes. Verificações descartam como causa uma linha de emissão de carbono próxima e uma mistura de linhas não resolvidas.

Segundo, com um modelo completo da galáxia — estrelas, gás, poeira e fotometria — usando uma lei de poeira flexível na qual a posição e a largura da saliência são livres. Os dois históricos de formação estelar testados recuperam uma saliência, em cerca de 2147 e 2168 Å, compatíveis com a medição direta, embora menos precisos.

Poderia um buraco negro estar imitando o sinal? Um núcleo ativo pode produzir uma floresta de linhas de ferro que imita uma depressão. As linhas de emissão indicam um campo de radiação intenso e deixam espaço para alguma contribuição de um núcleo, mas não para um forte o suficiente para dominar o ultravioleta. Os autores preferem a poeira, embora observem que um núcleo, “potencialmente até substancial”, não pode ser firmemente excluído.

Deslocada no sentido errado

A largura coincide com a da Via Láctea. A posição não: 43 Å mais azul do que a média da nossa Galáxia, a cerca de 2,5 sigma, e uns 127 Å mais azul do que as duas saliências conhecidas em torno do redshift 7, que estão deslocadas para o vermelho. Para os autores, essa diversidade depõe contra uma saliência única e universal no universo primordial: os grãos de poeira por trás dela provavelmente diferiam de galáxia para galáxia.

O que são eles? Cálculos para os menores grãos de grafite se aproximam do perfil da Pérola Negra, ao contrário do caso anterior com redshift de 6,71. Algumas moléculas individuais de PAH também conseguem reproduzi-lo — mas os PAHs são escassos em galáxias pobres em metais com redshift mais baixo, e a radiação intensa inferida aqui pode destruir os menores. Ambas as hipóteses continuam plausíveis.

Poeira em 200 milhões de anos

O relógio relevante não são os 500 milhões de anos desde o Big Bang, mas o tempo desde que a galáxia começou a formar estrelas. Se isso começou por volta do redshift 14, havia cerca de 200 milhões de anos disponíveis. Supernovas, o crescimento de grãos entre as estrelas e talvez as estrelas AGB de evolução mais rápida poderiam contribuir; quanto cada uma contribuiu continua em aberto.

Trata-se de uma única galáxia, o deslocamento da sua saliência é significativo a apenas cerca de 2,5 sigma, e as curvas de atenuação não correspondem de forma única a tipos de grãos. O artigo foi submetido à revista ApJ. A sua mensagem é que a forma da saliência, e não apenas a sua presença, pode agora revelar como a primeira poeira foi produzida.