Um megaconglomerado em formação no Universo primitivo: o protoaglomerado SPT2349-56

Observando 12,4 mil milhões de anos-luz para trás - até uma época em que o Universo tinha apenas cerca de 10% da idade atual - astrónomos identificaram um engarrafamento cósmico fora do comum: 14 galáxias jovens, com surtos intensos de formação estelar, a convergir e a fundir-se, dando origem a uma das estruturas mais massivas já vistas.

A descoberta foi feita por uma equipa internacional que recorreu a alguns dos telescópios mais potentes em operação hoje. As observações revelam uma concentração extremamente densa de galáxias quentes e ricas em poeira a deslocarem-se em direção umas às outras a grande velocidade.

Com o tempo, esta megafusão deverá transformar-se num aglomerado de galáxias: um conjunto ligado gravitacionalmente, sustentado em grande parte pela matéria escura e, mais adiante, sujeito a sucessivas fusões até poder resultar numa galáxia gigantesca.

Esse momento específico do processo recebe o nome de protoaglomerado, e encontrá-lo num estágio tão precoce é raro.

As 14 galáxias do SPT2349-56, registadas pelo ALMA. (ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); B. Saxton (NRAO/AUI/NSF))

Por que o SPT2349-56 é tão incomum

O protoaglomerado, batizado de SPT2349-56, é povoado por galáxias empoeiradas que estão a formar estrelas a um ritmo impressionante - até 1.000 vezes mais rápido do que a Via Láctea. Ainda assim, elas estão espremidas numa região com aproximadamente três vezes a extensão da nossa galáxia.

Só esta combinação (muita massa, altíssima atividade e compactação) já tornaria o objeto extraordinário. Mas há um elemento adicional que torna o cenário ainda mais intrigante: o SPT2349-56 é uma de duas descobertas recentes com características semelhantes.

SPT2349-56 e o “Núcleo Vermelho Empoeirado”: dois protoaglomerados que desafiam modelos

Em setembro passado, um outro grupo de investigadores publicou no arXiv um estudo (mais tarde aceito no The Astrophysical Journal) relatando um protoaglomerado com 10 galáxias empoeiradas em surto de formação estelar no Universo jovem. A equipa deu ao sistema o apelido de Núcleo Vermelho Empoeirado.

É esperado encontrar, no Universo primitivo, coisas a tomar forma - estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias. O que causa estranheza, porém, é o tamanho e a composição destes protoaglomerados: a presença simultânea de muitas galáxias em fase de surto, num espaço pequeno, não é fácil de explicar.

Uma hipótese relevante é que esses surtos sejam breves. Se a fase “empoeirada” consome gás depressa, ela deveria ser rara em qualquer instante do cosmos - o que torna ainda mais improvável encontrar muitas dessas galáxias “acesas” ao mesmo tempo no mesmo lugar.

O quebra-cabeça do tempo: grande demais, rápido demais

Segundo os modelos atuais, após o Big Bang o Universo permaneceu escuro por algum tempo. Apenas cerca de 1 mil milhão de anos depois é que ele se tornou totalmente ionizado e transparente, permitindo que as primeiras galáxias passassem a ser observáveis.

Os protoaglomerados em questão parecem surgir cerca de 1,4 mil milhões de anos após o Big Bang. Os modelos de evolução cósmica até admitem que estruturas assim possam existir, mas indicam que deveriam precisar de muito mais tempo para atingir esse nível de crescimento.

Scott Chapman, astrofísico da Universidade Dalhousie e coautor do artigo, destacou que ver um aglomerado massivo apanhado “em pleno nascimento” já seria, por si só, notável. O facto de isso acontecer tão cedo na história do Universo, no entanto, coloca uma pressão considerável sobre o entendimento atual de como as estruturas se formam.

Tim Miller, doutorando na Universidade Yale e autor principal do estudo, resume o ponto central: ainda não está claro como esse conjunto de galáxias conseguiu ficar tão grande tão depressa. Em particular, o sistema não parece ter crescido de forma lenta e gradual ao longo de vários milhares de milhões de anos - como muitos astrónomos esperariam -, o que abre uma oportunidade valiosa para investigar como galáxias massivas se juntaram para construir aglomerados enormes.

(ESO/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Miller et al.)

Como o protoaglomerado foi encontrado e confirmado

O SPT2349-56 apareceu pela primeira vez em 2010 como uma mancha ténue de luz nas imagens do South Pole Telescope. O sinal era incomum o suficiente para justificar uma análise mais profunda com instrumentos mais sensíveis.

Para revelar a estrutura com maior nitidez, os astrónomos recorreram ao Atacama Large Millimetre Array (ALMA), do European Southern Observatory (ESO), e ao Atacama Pathfinder Experiment (APEX). As imagens em alta resolução mostraram muito mais detalhe e permitiram identificar a concentração extrema de galáxias.

Em geral, objetos tão antigos são fracos demais para serem detetados com facilidade, mas os investigadores defendem que pode haver mais protoaglomerados semelhantes por aí. Carlos De Breuck, astrónomo do ESO, acrescentou que observações adicionais com o APEX sugerem que o número real de galáxias formadoras de estrelas pode ser até três vezes maior do que o inicialmente reconhecido.

Paralelamente, observações em andamento com o instrumento MUSE, no VLT (Very Large Telescope) do ESO, também estão a identificar galáxias adicionais associadas ao sistema.

O que estas galáxias empoeiradas indicam (e o que ainda falta entender)

Galáxias em surto de formação estelar costumam estar envoltas por poeira, que absorve luz visível e a reemite em comprimentos de onda milimétricos e submilimétricos - precisamente onde instrumentos como o ALMA se destacam. Isso significa que parte importante da história da formação de estruturas pode estar “escondida” para telescópios que observam sobretudo no visível.

Além disso, como a matéria escura não emite luz, ela só pode ser inferida pelos seus efeitos gravitacionais. Protoaglomerados tão compactos e ativos funcionam como laboratórios naturais para testar o papel da matéria escura na montagem rápida de estruturas e para ajustar os modelos que ligam gás, poeira, formação estelar e crescimento de halos massivos no Universo jovem.

Onde ler os estudos

O artigo sobre o SPT2349-56 foi publicado na revista Nature. Já o trabalho sobre o Núcleo Vermelho Empoeirado está disponível como pré-publicação no arXiv e foi aceito no The Astrophysical Journal.