O modelo do Big Bang não está morto

Atualizado em 12/jan/2024

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por Hugh Ross

1º de janeiro de 2024

Um dos benefícios mais significativos do Telescópio Espacial James Webb (JWST) é a sua capacidade única de detectar e medir galáxias numa era conhecida como “amanhecer cósmico”. Para os astrônomos, o nome não tem nada a ver com o suspense de ficção científica sobre um culto a OVNIs. Pelo contrário, refere-se ao período de 0,2 a 1,2 bilhão de anos após o evento de origem cósmica, a era em que a luz das estrelas iluminou o universo pela primeira vez. As imagens do JWST desta época fizeram com que algumas pessoas duvidassem da credibilidade da cosmologia do big bang. 

Observações Surpreendentes

As imagens iniciais de campo profundo do JWST revelaram uma abundância inesperada de galáxias brilhantes, consideradas candidatas a desvios para o vermelho superiores a 10, [1] distâncias que correspondem aos primeiros 0,478 bilhão de anos de história cósmica. [2] Até agora, o JWST detectou cerca de 90 dessas candidatas – um número significativamente superior ao previsto pelos modelos padrão de criação do big bang.

Por modelos “padrão” do big bang, quero dizer um conjunto de modelos caracterizados por uma geometria cósmica plana e em que a energia escura é o componente mais dominante do universo, com a matéria escura fria como o segundo componente mais dominante. Assim, eles também são chamados de modelos ΛCDM do big bang (com Λ [lambda] representando energia escura e CDM para matéria escura fria [cold dark matter]). As imagens do JWST revelaram não apenas uma abundância imprevista de candidatas a galáxias brilhantes do amanhecer cósmico, mas também que a luminosidade ultravioleta dessas candidatas parece cerca de dez vezes mais brilhante do que os modelos ΛCDM haviam previsto. 

Esta surpreendente superabundância de candidatas a galáxias do amanhecer cósmico com luminosidades ultravioleta excepcionalmente altas rapidamente deu origem a uma série de artigos populares afirmando que a cosmologia do big bang precisa de uma grande revisão. Alguns astrônomos começaram a pedir “um reexame do cenário teórico da formação de galáxias no amanhecer cósmico”. [3] Alguns chegaram ao ponto de afirmar que a física além da cosmologia ΛCDM padrão deve agora ser considerada. Exemplos de novas opções propostas incluem “um espectro de energia primordial modificado”, [4] um cosmos “primordial não gaussiano”, [5] ou “modelos alternativos de matéria escura”. [6] No entanto, estas hipóteses da “nova física” não representam alternativas à cosmologia do big bang. Eles ainda são modelos de origem do Big Bang, embora não sejam modelos ΛCDM.

Uma resposta mais extrema veio de organizações criacionistas que defendem a crença num universo e/ou Terra com apenas milhares de anos de idade. Esses grupos afirmam que as imagens do JWST refutam inteiramente a cosmologia do big bang. Por exemplo, o fundador do Answers in Genesis escreve: “As imagens do JWST contradizem flagrante e repetidamente a hipótese do Big Bang”. [7] Num artigo mais recente, um físico do Institute for Creation Research escreveu: “Segundo os cálculos do Big Bang, . . . essas galáxias [primitivas] deveriam parecer muito 'não evoluídas e 'imaturas'. Essa expectativa, contudo, é rotineiramente contrariada, e os dados do JWST estão tornando o desacordo ainda pior.” [8]

A maioria dos astrônomos prefere outras explicações para o vislumbre do JWST dos primeiros momentos do amanhecer cósmico. Qualquer uma ou qualquer combinação destas explicações propostas parece viável: (1) uma maior eficiência de formação estelar naquele momento; (2) uma porcentagem mais elevada de estrelas muito massivas naquela época; (3) quantidade reduzida de poeira ou presença de poeira com menor efeito de escurecimento e (4) ajustes na nossa compreensão das propriedades dos halos de matéria escura naquela época.

Tenho o prazer de informar que estão em andamento estudos de acompanhamento espectroscópico para as galáxias candidatas observadas. À medida que a investigação prossegue, a lista de 90 galáxias ultra brilhantes que inicialmente se pensava terem-se formado no início da amanhecer cósmico provavelmente será reduzida.

Uma Resolução Mais Promissora

À medida que os astrônomos continuam a considerar o significado das observações do JWST, uma equipe de seis astrônomos de cinco universidades estadunidenses aplicou uma nova abordagem à investigação. Anteriormente, esses investigadores aplicaram uma ferramenta de simulação computacional, chamada Feedback in Realistic Environments (FIRE), para mostrar que os modelos de big bang ΛCDM previram com sucesso as propriedades observadas de galáxias que se formaram durante os mais recentes 13 bilhões de anos de história cósmica. Eles usaram a mesma simulação computacional FIRE para testar até que ponto diferentes modelos cósmicos correspondem às propriedades observadas pelo JWST de candidatas a galáxias brilhantes do amanhecer cósmico, especificamente aquelas observadas em tempos de 13,1 – 13,5 bilhões de anos atrás. [9] Esses tempos correspondem ao universo quando ele tinha apenas 300 – 700 milhões de anos de idade.

A equipe primeiro apontou que a afirmação, no contexto dos modelos de big bang ΛCDM, de uma “superabundância” de candidatas a galáxias brilhantes com luminosidades ultravioleta excepcionalmente altas na era do amanhecer cósmico refletia uma suposição potencialmente falsa: que a taxa de formação de estrelas nessas galáxias era constante. A equipe testou então dois modelos para estas galáxias do amanhecer cósmico, um em que a taxa de formação estelar permanece constante durante os primeiros 700 milhões de anos de história cósmica, e outro em que a formação estelar ocorre em explosões, separadas por breves intervalos.

O último dos dois modelos corresponde estreitamente ao que os astrônomos observaram diretamente nas galáxias ao longo dos últimos 13 bilhões de anos. Além disso, simulações computacionais FIRE anteriores baseadas no modelo de explosão intermitente produziram o melhor ajuste com as propriedades observadas das galáxias durante os últimos 13 bilhões de anos.

As simulações de computador FIRE que predisseram galáxias do amanhecer cósmico, aquelas que se formaram nos primeiros 300 – 700 milhões de anos de história cósmica, experimentaram episódios estocásticos (ou “explosivos”) de formação de estrelas e produziram galáxias de luminosidade ultravioleta cerca de dez vezes mais brilhantes que simulações que prediziam a formação de estrelas em uma taxa constante. A equipe descobriu que, com a formação de estrelas ocorrendo em explosões dentro dessas galáxias/candidatas a galáxias, não existia necessidade de invocar modelos de big bang não padronizados, tais como aqueles com uma função de massa estelar inicial pesada, atenuação reduzida de poeira, propriedades alternativas de halo de matéria escura ou eficiência muito alta de formação de estrelas. A equipe concluiu que as observações do JWST das primeiras galáxias do amanhecer cósmico parecem ter produzido mais, e não menos, evidências de modelos de big bang ΛCDM.

Implicações Filosóficas

As conclusões da equipe são consistentes com os relatórios apresentados no episódio do podcast Stars, Cells, and God sobre “Source of Heavy Elements” (Fonte de Elementos Pesados). [10] Eles também estão alinhados com dois artigos anteriores que publiquei sobre observações do JWST relevantes para a cosmologia do big bang. [11] Graças à modelagem computacional e à análise efetuadas por esta equipe de astrônomos, ganhamos ainda mais confiança de que as últimas observações do JWST apoiam o evento de criação cósmica descrito biblicamente, também conhecido como big bang. [12]

Notas de Fim

1. C. T. Donnan et al., “The Evolution of the Galaxy UV Luminosity Function at Redshifts z = 8–15 from Deep JWST and Ground-Based Near-Infrared Imaging”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 518, n.⁰ 4 (fevereiro de 2023): 6011–6040, doi:10.1093/mnras/stac3472; Yuichi Harikane et al., “A Comprehensive Study of Galaxies at z ~ 9–16 Found in the Early JWST Data: Ultraviolet Luminosity Functions and Cosmic Star Formation History at the Pre-Reionization Epoch”, Astrophysical Journal Supplement 265, n.⁰ 1 (março de 2023): id. 5, doi:10.3847/1538-4365/acaaa9; Haojing Yan et al., “First Batch of z = 11–20 Candidate Objects Revealed by the James Webb Space Telescope Early Release Observations on SMACS 0723-73”, Astrophysical Journal Letters 942, n.⁰ 1 (1⁰ de janeiro de 2023): id. L9, doi:10.3847/2041-8213/aca80c.
2. Edward L. Wright, “A Cosmology Calculator for the World Wide Web”, Publications of the Astronomical Society of the Pacific 118, n.⁰ 850 (13 de dezembro de 2006): 1711–1715, doi:10.1086/510102. A calculadora online está em https://www.astro.ucla.edu/~wright/CosmoCalc.html.
3. Guochao Sun et al., “Bursty Star Formation Naturally Explains the Abundance of Bright Galaxies at Cosmic Dawn”, Astrophysical Journal Letters 955, n.⁰ 2 (1⁰ de outubro de 2023): id. L35, p. 1, doi:10.3847/2042-8213/acf85a.
4. Hamsa Padmanabhan e Abraham Loeb, “Alleviating the Need for Exponential Evolution of JWST Galaxies at 10¹⁰M_Sun Haloes at z > 10 by a Modified LCDM Power Spectrum”, Astrophysical Journal Letters 953, n.⁰ 1 (10 de agosto de 2023): id. L4, doi:10.3847/2042-8213/acea7a; Priyank Parashari e Ranjan Laha, “Primordial Power Spectrum in Light of JWST Observations of High Redshift Galaxies”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters 526, n.⁰ 1 (novembro de 2023): L63–L69, doi:10.1093/mnras/slad107.
5. Matteo Biagetti, Gabriele Franciolini e Antonio Riotto, “High-Redshift JWST Observations and Primordial Non-Gaussianity”, Astrophysical Journal 944, n.⁰ 2 (16 de fevereiro de 2023): id. 113, doi:10.3847/1538-4357/acb5ea.
6. Yan Gong et al., “Fuzzy Dark Matter as a Solution to Reconcile the Stellar Mass Density of High-z Massive Galaxies and Reionization History”, Astrophysical Journal 947, n.⁰ 1 (17 de abril de 2023): if. 28, doi:10.3847/1538-4357/acc109.
7. Ken Ham, “Does the James Webb Space Telescope Show the Big Bang Didn’t Happen?”, Answers in Genesis, Ken Ham Blog, 22 de agosto de 2022.
8. Jake Hebert, “Webb Telescope Continues to Challenge Big Bang”, Institute for Creation Research, News: Creation Science Update, 26 de janeiro  de 2023.
9. Sun et al., “Bursty Star Formation Naturally Explains the Abundance of Bright Galaxies at Cosmic Dawn” 
10. Fazale Rana e Hugh Ross, “Neanderthal Flower Burial Nixed and Source of Heavy Elements”, Reasons to Believe podcast, Stars, Cells, and God (29 de novembro de 2023), https://www.youtube.com/watch?v=Y3yKYEnKQGw.
11. Hugh Ross, “Cosmic Dawn Evidence Bolsters Case for Creation”, Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, 10 de julho de 2023; Hugh Ross, “James Webb Space Telescope: Initial Revelations”, Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, 12 de setembro de 2022.
12. Hugh Ross, “O que a Bíblia diz sobre o Big Bang?”, Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, 6 de fevereiro de 2023.

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Traduzido de Big Bang Model Is Not Dead (Reason to Believe)

Etiquetas:

cosmologia - astrofísica - origem do universo - alvorada cósmica