James Webb afirma brilhantemente o evento de criação do Big Bang

Atualizado em 26/abr/2024

Imagem gerada por IA (Acervo de Lexica)

por Hugh Ross

22 de abril de 2024

A missão principal do Telescópio Espacial James Webb (JWST, James Webb Space Telescope, visto na figura 1) é investigar a história inicial do universo. De particular interesse para os investigadores é o período conhecido como “amanhecer cósmico”, quando a luz das estrelas iluminou o universo pela primeira vez. Esta era, assim apropriadamente chamada, estende-se de 200 milhões a 1,2 bilhão de anos após o evento de origem cósmica.

Figura 1: Telescópio Espacial James Webb

O Telescópio Espacial James Webb está a 1,6 milhão de quilômetros (1 milhão de milhas) da Terra, no ponto Lagrange 2, ao longo da órbita da Terra. [Crédito: NASA]

Para observar o amanhecer cósmico, os astrônomos devem olhar a muitos bilhões de anos-luz de distância. (Lembre-se: distância significa tempo, devido à velocidade finita da luz. Ou seja, quanto mais longe olhamos, mais para trás no tempo vemos a condição do universo. Tenha também em mente que, devido à expansão do universo, os objetos mais distantes estão se afastando de nós mais rapidamente.) A luz visível de objetos a distâncias correspondentes à era do amanhecer cósmico (12,6 – 13,6 bilhões de anos-luz de distância) será deslocada para o segmento infravermelho do espectro eletromagnético. Por essa razão, os astrônomos projetaram o JWST para detectar radiação infravermelha.

Galáxias Iniciais Brilhantes

Uma das grandes surpresas para os astrônomos que utilizaram o JWST foi observar várias galáxias brilhantes no primeiro bilhão de anos de história cósmica – galáxias com luminosidades ultravioletas até dez vezes mais brilhantes do que os modelos padrão do Big Bang parecem permitir. [1] A maioria dos modelos do Big Bang previu que galáxias com um brilho ultravioleta como estas levariam mais de algumas centenas de milhões de anos para se formarem. No entanto, esta previsão baseou-se na falta de compreensão sobre como as primeiras galáxias se formaram.

Conforme relatado em Today's New Reason to Believe (Razão de hoje para acreditar), publicado em 1º de janeiro de 2024, uma equipe de astrônomos resolveu o problema dessas primeiras galáxias brilhantes no ultravioleta. [2] A solução veio de evidências que confirmam que a formação estelar foi tão “estocástica” ou “em rajadas” durante o primeiro bilhão de anos do Universo quanto durante os 12,8 bilhões de anos subsequentes.

Galáxia GN-z11

Mesmo antes do lançamento do JWST, o Telescópio Espacial Hubble (Hubble Space Telescope, HST) permitiu aos astrônomos observar uma galáxia do amanhecer cósmico, GN-z11 (também conhecida como GNS-JD2, vista na figura 2). Parecia muito mais brilhante do que o previsto, em comprimentos de onda visíveis, apesar de ser a galáxia mais distante já descoberta pelos investigadores.

Uma equipe de dezoito astrônomos, usando a espectroscopia grismo do HST, mediu o desvio para o vermelho (redshift) da GN-z11 em 11,1. [3] Esta medida do desvio para o vermelho implicava que GN-z11 se encontra a 13,41 bilhões de anos-luz da Terra, uma distância que corresponde a apenas 380 milhões de anos após o evento de origem cósmica. GN-z11 é a galáxia com maior desvio para o vermelho (portanto, mais distante) confirmada espectroscopicamente usando o HST. 

 

Figura 2: Galáxia GN-z11

[Crédito: Telescópio Espacial NASA/ESA/James Webb]

Uma equipe de oito astrônomos liderada por James Baldwin mediu o diâmetro efetivo da GN-z11. Com base em imagens do levantamento CANDELS do Hubble e em observações adicionais, [4] determinaram que o diâmetro de meia-luz (a distância do núcleo galáctico até ao ponto onde a sua luminosidade é reduzida para metade) de GN-z11 é de cerca de 500 anos-luz, uma determinação consistente com medições posteriores feitas usando o JWST. [5] Com este tamanho relativamente pequeno e elevada luminosidade, a GN-z11 foi confirmada como a galáxia mais brilhante já conhecida, a uma distância superior a 13,3 bilhões de anos-luz, na primeira parte do amanhecer cósmico. Por essa razão, a GN-z11 tornou-se o principal alvo de investigação do JWST.

Em setembro de 2023, uma equipe de sessenta e três astrônomos liderada por Andrew Bunker usou o espectrômetro de infravermelho próximo a bordo do JWST para fazer uma medição mais precisa do desvio para o vermelho da GN-z11, [6] que acabou sendo 10,603. Esta medição nos diz que GN-z11 está a 13,38 bilhões de anos-luz da Terra. A esta distância, a GN-z11 parece ter-se formado 410 milhões de anos após o primeiro momento da criação cósmica. Essa descoberta é surpreendente, dado que a formação de estrelas não é sequer possível até o Universo ter pelo menos 200 milhões de anos.

Na verdade, GN-z11 não é a única galáxia excepcionalmente luminosa encontrada no amanhecer cósmico. Imagens capturadas pelo JWST revelam várias dezenas de outras. A descoberta de tais galáxias tornou-se um tema regular para o JWST, e esse tema gerou numerosos artigos na mídia popular e na web – muitos alegando que o modelo do big bang precisa de uma grande revisão e/ou que os cientistas estão à beira de descobrir alguma nova física.

Por que Tanto Brilho?

Embora nenhum astrônomo cujo trabalho apareça na literatura astrofísica revista por pares tenha apelado ao abandono ou à substituição dos modelos do Big Bang, alguns defendem “um reexame do panorama teórico da formação de galáxias na alvorada cósmica”. [7] Para determinar se é necessário um reexame, uma equipe de trinta e seis astrônomos liderada por Roberto Maiolino, da Universidade de Cambridge, empreendeu uma investigação detalhada da GN-z11.

Utilizando o espectrômetro de infravermelho próximo (NIRSpec) e a câmara de infravermelho próximo (NIRCam) a bordo do JWST, a equipe de [8] Maiolino descobriu um enorme aglomerado de gás no halo galáctico, a aproximadamente 7.800 anos-luz do núcleo da GN-z11. A câmera revelou que este aglomerado estava tão fortemente iluminado por estrelas no núcleo, que o seu gás tinha sido ionizado. O espectrômetro revelou adicionalmente a composição elementar da aglomeração: hidrogênio e hélio, e nenhum elemento mais pesado que o hélio.

A falta de quaisquer elementos mais pesados que o hélio no aglomerado de gás forneceu, pela primeira vez, uma evidência direta que se alinhava com uma previsão importante dos modelos do big bang. De acordo com estes modelos, o universo começa infinitamente pequeno, quase infinitamente quente e com apenas um elemento – o hidrogênio. Entre três e quatro minutos após o início cósmico, o universo em expansão e resfriamento passa pela janela de temperatura na qual o hidrogênio se funde em hélio. Aproximadamente um quarto do hidrogênio primordial (em massa) se funde em hélio, junto com uma pequena quantidade de lítio. Todos os outros elementos são fabricados posteriormente nas fornalhas nucleares das futuras estrelas. A equipe de Maiolino foi a primeira a ver uma nuvem de gás que continha apenas os elementos produzidos no “bang” inicial.

Para explicar o nível de ionização observado no aglomerado de gás, Maiolino e os seus colegas calcularam que a luminosidade combinada das estrelas que iluminam o aglomerado de gás era equivalente a pelo menos 20 bilhões de vezes a luminosidade do nosso Sol. Essa elevada luminosidade só pode ser explicada se as estrelas na região central da GN-z11 forem extremamente massivas. Com base nos espectros do aglomerado de gás, a equipe foi capaz de determinar que a radiação ionizante vinha de estrelas na região central da GN-z11, mas não do núcleo galáctico ativo (NGA) no centro.

No contexto da modelagem do Big Bang, os astrônomos desenvolveram uma série de previsões para a massa das primeiras estrelas do Universo – estrelas que iniciam a sua combustão nuclear com 75% de hidrogênio, 25% de hélio e uma pequena quantidade de lítio. [9] Essas estimativas variam entre 1 – 100 massas solares, 1 – 500 massas solares e 50 – 500 massas solares, com a pequena possibilidade de que algumas destas primeiras estrelas possam ter a massa de 1.000 massas solares.

Os espectros de aglomerados de gás obtidos pelo NIRSpec mostram que as estrelas que iluminam o aglomerado de gás são, de fato, as primeiras estrelas formadas no Universo. Além disso, os espectros mostram que estas estrelas estão predominantemente na categoria de 50 – 500 massas solares, com uma fração significativa superior a 500 massas solares.

A luminosidade de uma estrela aumenta exponencialmente (até à potência 3,9) com a sua massa. Uma estrela com massa 200 vezes a massa do Sol será ~1.600.000.000 de vezes {lê-se o caractere '~' como 'aproximadamente'} mais brilhante que o Sol. Uma estrela 500 vezes mais massiva que o Sol será cerca de 6.000.000.000 de vezes mais brilhante! Nessa base, podemos determinar que mesmo que a região central da GN-z11 contenha apenas 20.000 estrelas, a luz dessas estrelas seria mais do que suficiente para iluminar o aglomerado de gás ao grau que Maiolino e os seus colegas observaram. Dado que todos os modelos do Big Bang preveem a formação de mais de 20.000 estrelas sem metal (estrelas sem elementos mais pesados que o hélio, exceto vestígios de lítio) em múltiplas galáxias, durante o amanhecer cósmico, a população de galáxias brilhantes observada pelo JWST, de forma alguma, representa um desafio para os modelos de criação do big bang.

Os Primeiros Buracos Negros Supermassivos

Maiolino e sua equipe também encontraram uma segunda fonte de luminosidade na GN-z11. [10] Eles observaram um fluxo extremamente denso de gás no núcleo da GNz-11. Neste gás, detectaram elementos ionizados que indicam claramente a existência de um buraco negro gigante, que está acumulando matéria de forma agressiva. Eles também observaram uma poderosa radiação emitida pelo disco de acreção que circunda o buraco negro. Estas observações permitiram à equipe calcular a massa do buraco negro que reside no núcleo da GN-z11. Esta massa mede dois milhões de vezes a massa do nosso Sol. Assim, o buraco negro nuclear em GN-z11 cai na categoria “supermassivo”. (Os astrônomos classificam qualquer buraco negro com mais massa do que um milhão de massas solares como um buraco negro supermassivo, ou BNSM).

O horizonte de eventos em torno de um buraco negro é um local onde a atração gravitacional do buraco negro é tão forte que nem mesmo a luz consegue escapar dele. Consequentemente, tudo dentro do horizonte de eventos parece preto, enquanto fora do horizonte de eventos a matéria está a ser convertida em energia com uma eficiência de 10 – 42% — a eficiência mais elevada de qualquer fonte no Universo. Em comparação, esta eficiência é 150 – 600 vezes maior do que a da conversão de matéria em energia no forno de fusão nuclear do Sol. As fontes mais brilhantes do universo são os discos de acreção fora dos horizontes de eventos dos BNSMs (ver figura 3).

 

Figura 3: O disco de acreção brilhante fora do horizonte de eventos do BNSM da M87

[Crédito: Telescópio Event Horizon]

O BNSM em GN-z11 é o BNSM mais distante descoberto até o momento. A presença deste BNSM voraz e o brilho das primeiras estrelas formadas em GN-z11 explicam sua luminosidade, que é inteiramente consistente com o modelo padrão de criação do big bang ΛCDM (onde Λ {a letra grega lâmbda} significa energia escura [o componente primário do universo] e CDM significa matéria escura fria [o segundo componente mais dominante do universo]).

Maiolino e os seus colegas confirmaram que as primeiras estrelas a se formar no Universo são provavelmente muito massivas. Eles também demonstraram que um aglomerado denso de estrelas muito massivas em uma galáxia do amanhecer cósmico tem uma alta probabilidade de formar um BNSM. Portanto, não é surpreendente que os astrônomos encontrem muitas galáxias brilhantes do amanhecer cósmico. A afirmação de que o modelo do big bang necessita de uma grande revisão ou aponta para uma nova física parece agora ser anulada.

Mais um Presente do JWST

Uma previsão fundamental de todos os modelos do big bang é a existência de três populações estelares distintas. Os astrônomos se referem às estrelas formadas durante os últimos cinco bilhões de anos como estrelas de População I. Estas estrelas são caracterizadas por uma grande abundância de elementos mais pesados que o lítio. Por quê? Porque eles se formaram a partir das cinzas de estrelas que se formaram e queimaram antes que essas estrelas mais jovens existissem. Nosso Sol, por exemplo, é uma estrela da População I.

Estrelas mais antigas que as estrelas da População I contêm menos elementos pesados porque se formaram a partir das cinzas de estrelas que se formaram e queimaram em épocas anteriores da história cósmica. Quanto mais cedo na história cósmica, menor será a abundância de elementos mais pesados que o lítio disponíveis no espaço interestelar. Os astrônomos chamam essas estrelas de estrelas de População II. A maioria das estrelas do aglomerado globular e a maioria das estrelas nos halos das galáxias são estrelas da População II.

Estrelas de população III são aquelas que se formaram a partir do gás primordial do universo: hidrogênio, hélio e uma pequena quantidade de lítio. Os astrônomos já haviam detectado estrelas de baixa massa da População III no halo da Via Láctea. [11] Estas estrelas formaram-se, de fato, a partir do gás primordial do universo; entretanto, demoraram muito tempo a formar-se completamente – centenas de milhões de anos ou mais. Assim, antes de começarem a brilhar como estrelas de combustão nuclear, as suas atmosferas tinham sido poluídas pelas cinzas de estrelas próximas de População III de massa muito elevada, que rapidamente arderam e explodiram, enviando as suas cinzas para o espaço interestelar.

Até agora, porém, os astrônomos não tinham o poder do telescópio para detectar estas estrelas de População III “isentas de metais” ou para detectar o gás primordial do Universo. Na verdade, muitos astrônomos expressaram dúvidas de que o JWST possua o poder de observação necessário para fazer tal detecção. A equipe de Maiolino aumentou agora a esperança de que o JWST possa fazer esta detecção. Os dois artigos da equipe terminam com um pedido de observações de acompanhamento da GN-z11 para confirmar as suas descobertas e detectar galáxias cósmicas semelhantes. Dada a importância das suas descobertas, tais observações provavelmente serão disponibilizadas em breve.

Implicações Filosóficas/Teológicas

Durante milhares de anos, a Bíblia foi a única a descrever as características fundamentais do big bang. [12] Nenhum outro modelo de origem cósmica foi sujeito a tantos testes independentes e rigorosos como o big bang. [13] Graças ao poder do JWST e aos esforços de investigação de Maiolino e da sua equipe, o big bang passou em mais uma série de testes. O seu sucesso fornece provas ainda maiores para apoiar a afirmação bíblica de que um Agente Causal além do espaço e do tempo criou o nosso universo e o projetou primorosamente para que bilhões de humanos possam residir no nosso planeta e desenvolver uma civilização tecnologicamente avançada. O seu sucesso também confirma o poder da Bíblia para prever, com precisão, futuras descobertas científicas. Este poder afirma a inspiração sobrenatural e a exatidão da Bíblia, com a sua garantia do desejo e da capacidade de Deus de redimir a humanidade caída (como no autosserviço e na autoexaltação). [14]

Notas de Fim

1. Guochao Sun et al., “Bursty Star Formation Naturally Explains the Abundance of Bright Galaxies at Cosmic Dawn”, Astrophysical Journal Letters 955, n.⁰ 2 (1º de outubro de 2023): id. L35, doi:10.3847/2042-8213/acf85a.
2. Hugh Ross, “Big Bang Model Is Not Dead”, Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, 1º de janeiro de 2024 [publicado em Sobre As Origens: O modelo do Big Bang não está morto].
3. Pascal A. Oesch et al., “A Remarkably Luminous Galaxy at Z = 11.1 Measured with Hubble Space Telescope Grism Spectroscopy,” Astrophysical Journal 819, n.º 2 (10 de março de 2016): id. 129, doi:10.3847/0004-637X/819/2/129.
4. James O. Baldwin et al., “A Size Estimate for Galaxy GN-z11”, Research Notes of the AAS 8, n.º 1 (janeiro de 2024): id. 29, doi:10.3847/2515-5172/ad220a.
5. Roberto Maiolino et al., “A Small and Vigorous Black Hole in the Early Universe”, (17 de janeiro de 2024), arXiv:2305.12492.
6. Andrew J. Bunker et al., “JADES NIRSpec Spectroscopy of GN-z11: Lyman-a Emission and Possible Enhanced Nitrogen Abundance in a z = 10.60 Luminous Galaxy”, Astronomy & Astrophysics 677 (setembro de2023): id. A88, doi:10.1051/0004-6361/202346159.
7. Sun et al., “Bursty Star Formation Naturally Explains”, p. 1.
8. Roberto Mailino et al., “JWST-JADES. Possible Population III Signatures at z = 10.6 in the Halo of GN-z11”, submetido e aceito para publicação em Astronomy & Astrophysics (6 de junho de 2023), arXiv:2306.00953v2.
9. Kimihiko Nakajima e Roberto Maiolino, “Diagnostics for PopIII Galaxies and Direct Collapse Black Holes in the Early Universe”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 513, n.º 4 (julho de2022): 5134–5147, doi:10.1093/mnras/stac1242.
10. Maiolino et al., “A Small and Vigorous Black Hole in the Early Universe”.
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, “Big Bang Implications of Detecting the Universe’s First Stars”, Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, 14 de novembro de 2022; Hugh Ross, “Pursuing the First-Born Stars and a Better Cosmic Creation Model”, Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, 15 de julho de 2019; Hugh Ross, “J0023+0307, a Pristine Firstborn Star?” Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, 9 de abril de 2018. 
12. Hugh Ross, “What Does the Bible Say about the Big Bang?” Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, 6 de fevereiro de 2023 [publicado em Sobre As Origens: O que a Bíblia diz sobre o Big Bang?].
13. Ross, “Big Bang Model Is Not Dead [O modelo do Big Bang não está morto]; Ross, “Cosmic Dawn Evidence Bolsters Case for Creation”; Hugh Ross, The Creator and the Cosmos, 4ª ed. (Covina, CA: RTB Press, 2018).
14. Hugh Ross, Rescuing Inerrancy: A Scientific Defense (Covina, CA: RTB Press, 2024).

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Traduzido de JWST Glowingly Affirms Big Bang Creation Event (RTB)

Etiquetas:

origem do universo - criacionismo (progressivo) da Terra velha