Estrelas de baixa massa revelam uma massa escondida nas primeiras galáxias

Uma equipe internacional liderada pela Universidade de Leiden usou o telescópio espacial James Webb para investigar um componente difícil de detectar nas galáxias: a luz extremamente fraca de estrelas de baixa massa.

Em vez de presumir que essas galáxias tinham a mesma distribuição de massas estelares observada na Via Láctea, os pesquisadores mediram essa distribuição — conhecida como função de massa inicial (IMF, na sigla em inglês). O resultado foi surpreendente: as nove galáxias massivas e quiescentes analisadas, observadas quando o Universo tinha uma fração de sua idade atual, continham um excesso de estrelas pequenas.

Como a análise foi feita

O estudo combinou espectros ultraprofundos obtidos pelo instrumento NIRSpec, do James Webb, no programa JWST-IMFERNO, com espectros ópticos mais azuis e igualmente profundos do levantamento LEGA-C, realizado com o Very Large Telescope (VLT), no Chile.

Essa cobertura ampla de comprimentos de onda permitiu separar dois tipos de informação:

• no infravermelho próximo, assinaturas de absorção associadas às estrelas anãs de baixa massa;
• na faixa óptica, sinais que ajudam a determinar a idade, a metalicidade e a abundância de diferentes elementos nas populações estelares.

A amostra reúne nove galáxias massivas que já haviam encerrado a formação de novas estrelas em um desvio para o vermelho de aproximadamente 0,7. Como elas são quiescentes — isto é, praticamente não produzem novas estrelas —, seus pesquisadores puderam estudar com maior precisão a população estelar acumulada ao longo do tempo.

Mais estrelas pequenas, mais massa escondida

A função de massa inicial dessas galáxias é mais “dominada pela base” do que a da Via Láctea. Em termos práticos, isso significa que elas nasceram com uma proporção maior de estrelas de baixa massa do que a prevista por uma distribuição semelhante à nossa galáxia.

Essas estrelas anãs são pouco brilhantes e, por isso, podem passar despercebidas nas observações. Mas sua contribuição para a massa total é significativa. Se os astrônomos calcularem a massa de uma galáxia supondo uma função de massa inicial semelhante à da Via Láctea, poderão chegar a um valor menor do que o real.

O efeito foi especialmente forte nos dois objetos mais antigos da amostra. Eles são considerados descendentes diretos das galáxias maduras e extremamente precoces que o James Webb encontrou no Universo jovem. Ao aplicar a função de massa inicial medida no estudo, a massa estelar estimada para esses objetos aumentou entre três e quatro vezes.

Um problema ainda maior para a formação das galáxias

O James Webb já identificou galáxias massivas e evoluídas em épocas surpreendentemente antigas. Entre elas está a GS-9209, uma galáxia quiescente confirmada espectroscopicamente em um desvio para o vermelho de 4,658, cerca de 1,25 bilhão de anos após o Big Bang.

Essas descobertas já pressionavam os modelos de formação galáctica, que precisam explicar como tanta massa estelar pôde se formar e se organizar em tão pouco tempo. Se as galáxias primitivas também tinham muitas estrelas de baixa massa, sua massa verdadeira pode ter sido ainda maior do que as estimativas anteriores indicavam — o que intensifica, em vez de solucionar, essa tensão.

A ligação com galáxias observadas nos primeiros 500 milhões de anos do Universo, incluindo possíveis sistemas com desvio para o vermelho de 10 ou mais, ainda é uma extrapolação. As medições robustas apresentadas neste estudo foram feitas em galáxias com desvio para o vermelho próximo de 0,7; o trabalho não mede diretamente a função de massa inicial de galáxias tão antigas.

O que isso pode significar para os planetas?

Se a formação de estrelas com uma distribuição dominada por estrelas de baixa massa era comum no Universo jovem, isso significaria que muitas estrelas pequenas e longevas surgiram naquela época. Como estrelas desse tipo são consideradas potenciais hospedeiras de planetas, o número de sistemas planetários formados no início do Universo poderia ser maior do que o estimado com base em uma distribuição semelhante à da Via Láctea.

Essa é uma possível implicação, não uma medição direta da ocorrência de planetas. O estudo não detectou planetas nem determinou quantos sistemas planetários existem ao redor dessas estrelas.

O próximo passo

Os pesquisadores pretendem aplicar a mesma estratégia — espectroscopia ultraprofunda e cobertura ampla do espectro no referencial de repouso das galáxias — a objetos cada vez mais distantes. O objetivo é investigar se o excesso de estrelas de baixa massa também existia nas primeiras galáxias, próximas da época em que surgiram as primeiras estrelas.

À medida que o Universo observado fica mais distante e mais jovem, o desvio para o vermelho desloca as assinaturas relevantes para faixas infravermelhas que podem ser captadas pelo James Webb. Essas observações poderão indicar se as nove galáxias estudadas representam uma particularidade ou se revelam uma característica comum da formação galáctica no Universo primordial.