JWST revela barra estelar de 7 kpc em GN20, desafiando modelos do universo primordial

Astrônomos utilizando o Telescópio Espacial James Webb (JWST) identificaram uma barra estelar na galáxia massiva GN20. Observada apenas 1,5 bilhão de anos após o Big Bang, essa descoberta contesta as expectativas estabelecidas pelo modelo padrão da formação galáctica. O estudo, conduzido por Leindert A. Boogaard, da Universidade de Leiden, foi submetido ao servidor de pré-publicações arXiv em 14 de maio, destacando um fenômeno até então considerado improvável em galáxias tão jovens.

Barras estelares são estruturas alongadas de estrelas que atravessam o centro de uma galáxia, funcionando como funis cósmicos. Elas canalizam gás para o núcleo galáctico, o que intensifica a formação estelar, alimenta buracos negros centrais e contribui para a construção de núcleos densos. No universo próximo, estas barras são comuns, inclusive na Via Láctea, porém sua formação é tida como um processo lento, que leva bilhões de anos para se desenvolver.

Descoberta e Observação de GN20

A galáxia GN20 é um sistema massivo e rico em gás, localizado em um desvio para o vermelho de 4, tornando-a distante e tênue. Apesar de estar envolta em poeira, o instrumento de infravermelho médio (MIRI) e a câmera de infravermelho próximo (NIRCam) do JWST permitiram a penetração dessa camada. Essas ferramentas revelaram a estrutura interna da galáxia com detalhes inéditos.

A análise isofotal, que mede como o brilho da luz da galáxia se estica e gira do centro para fora, mostrou uma estrutura em barra nítida. Esta barra se estende por sete quiloparsecs de ponta a ponta. Uma análise matemática independente do padrão de luz confirmou autonomamente a detecção. Observações submilimétricas de alta resolução do Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) corroboraram a presença de uma característica em forma de barra na poeira mapeada, demonstrando um forte alinhamento entre a barra estelar e a barra de poeira.

Barra Estelar Desafia Modelos Teóricos

A detecção de uma barra estelar em GN20 é notável porque, segundo as teorias existentes, sua existência deveria ser improvável por pelo menos três motivos fundamentais. Os pesquisadores indicam que a galáxia primitiva, rica em gás, teria condições desfavoráveis para a formação de tais estruturas.

• Colapso Estrutural: Barras estelares que se formam normalmente são consideradas resistentes, mas as condições iniciais do universo sugeriam que elas colapsariam sob o próprio peso.
• Tempo de Crescimento: O crescimento de uma barra até sete quiloparsecs levaria bilhões de anos, um período incompatível com a idade observada da GN20 (1,5 bilhão de anos após o Big Bang).
• Supressão por Gás: A abundante quantidade de gás nas galáxias primitivas deveria ter suprimido ou retardado a formação das barras, conforme os modelos padrão.

A equipe, no entanto, aponta que todos esses obstáculos podem ser superados pela presença de gás altamente turbulento em todo o disco interno com alta fração de gás.

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Turbulência do Gás e Formação da Barra

A pesquisa de Boogaard et al. sugere que a chave para a formação da barra estelar em GN20 reside na condição de seu gás. A turbulência e a alta fração de gás no disco interno da galáxia teriam permitido a estabilização e o crescimento da barra. Esta é uma explicação crucial que integra as observações com a teoria, ajustando o entendimento sobre a evolução inicial das galáxias.

Embora os pesquisadores mencionem incertezas, como a estimativa da massa estelar da barra e das regiões do núcleo devido à extrema quantidade de poeira, a conclusão principal permanece. Eles afirmam que GN20 é um sistema rico em gás e a barra estelar é real. O instrumento MIRI do JWST foi fundamental para tornar a poeira transparente e revelar essas estruturas internas complexas.

Implicações para a Evolução Galáctica

As observações detalhadas de GN20 também indicam onde a formação estelar está concentrada. No ponto onde a barra encontra o disco externo ao sul, o gás se acumula e desencadeia um ponto quente de intensa formação estelar. No centro, a barra atrai material para dentro, alimentando uma explosão estelar nuclear e possivelmente um buraco negro supermassivo. Este fator é provavelmente crucial para a extraordinária taxa de formação estelar de GN20, que supera 1.000 massas solares por ano.

Essa alta taxa de formação estelar pode ser impulsionada pela barra que canaliza gás e poeira para o centro, onde ela desencadeia uma intensa explosão estelar nuclear no disco rico em gás e alimenta o potencial núcleo galáctico ativo. A descoberta sugere que galáxias como GN20 podem não ser simplesmente uma fase na evolução galáctica. A formação estelar impulsionada pela barra poderia explicar o enigma de como as galáxias elípticas massivas e mortas, observadas no universo atual, alcançaram esse estado, e por que algumas delas parecem ter se extinguido tão cedo. Este achado representa um elo perdido significativo para compreender a evolução das galáxias.