Pequenas galáxias anãs ultra-falha refletem as condições no universo primitivo

Estas imagens são de simulações destinadas a compreender galáxias anãs ultra-deficientes no Universo primitivo. (A) Distribuição de matéria escura no nosso bairro no Universo, o chamado Grupo Local de galáxias. Os dois grandes halos de matéria escura correspondem aos da Via Láctea e galáxia de Andrômeda; (B) zoom-in na matéria escura em e em torno de um pequeno halo ~700 milhões de anos após o Big Bang; (C) estrelas e gás no centro do halo de pequena matéria escura em uma de nossas simulações. Há pelo menos 50 deles, e os astrónomos continuam a encontrar mais. Entre as galáxias anãs estão as galáxias anãs ultra-faint, a menor e menos brilhante de todas. Independentemente do seu número real, eles são importantes por causa do que podem dizer aos cientistas sobre o Universo primitivo. Por vezes, os cientistas referem-se às galáxias anãs em geral como relíquias do Universo primitivo, porque podem dizer-nos algo sobre as condições do Universo há milhares de milhões de anos. As galáxias anãs ultra-deficientes (UFDG) são uma população importante de galáxias anãs porque são dominadas pela matéria escura em maior extensão do que outras anãs. Em novas pesquisas publicadas nos Avisos Mensais da Royal Astronomical Society, uma equipe de pesquisadores utilizou poderosas simulações para sondar as condições de partida da UFDG. É intitulado "LYRA ultra-falhas: o surgimento de galáxias anãs fracas na presença de um fundo Lyman-Werner adiantado", e o autor principal é Shaun Brown. Brown liderou o estudo enquanto trabalhava no Oskar Klein Centre e na Universidade de Durham. Professor Associado Azadeh Fattahi do Oskar Klein Centre liderou o trabalho. Galáxias, incluindo UFDG, formadas em e em torno de halos de matéria escura, que são unidades básicas na estrutura cosmológica. Mas nem todos os halos de matéria escura formam galáxias. Os pesquisadores querem entender por que isso é e o que nos diz sobre o Universo primitivo. Neste trabalho, os pesquisadores realizaram simulações na UFDG para descobrir. * Estes painéis mostram três das galáxias anãs ultra-faint da Via Láctea. Estas galáxias são sondas importantes para condições no Universo primitivo. "Estas são de longe a maior amostra de tais galáxias jamais simuladas nestas resoluções." Como a UFDG é tão pequena e fraca, eles são difíceis de observar e estudar. Por extensão, também são difíceis de simular. “As galáxias mais pequenas são chamadas de galáxias anãs ultra-deficientes, que são um milhão de vezes menos maciças do que a Via Láctea ou mesmo menores”, diz Fattahi. “Devido ao seu pequeno tamanho, estas galáxias têm se mostrado muito difíceis de modelar e simular.” As simulações incluíram 65 halos de matéria escura baseados em ambientes do Grupo Local. Eles simularam duas prescrições diferentes para o que é chamado de Fundo Lyman-Werner (LWB) em galáxias de alta redshift (z > 7). O Fundo Lyman-Werner é uma radiação UV que se acumulou no início do Universo. É um feedback estelar das estrelas da População III. Apesar de não ser ionizante, fótons nesta radiação podem separar hidrogênio molecular (H2). Isto é importante porque o H2 permite que as nuvens de gás esfriem e formem estrelas. Com menos H2, a formação estelar é mais difícil no Universo primitivo. A força do fundo Lyman-Werner pode ser a diferença entre os halos que formam UFGD e que permanecem sem estrelas. “Uma analogia útil é com plantas e culturas e como a forma como crescem é sensível às condições climáticas”, disse o autor principal Brown. “Da mesma forma que o rendimento de uma colheita no verão pode indiretamente dizer-lhe muito sobre como o tempo na primavera deve ter sido, as propriedades de galáxias anãs fracas hoje pode nos dizer muito sobre as condições, ou tempo, do Universo em um momento muito mais cedo.” “No artigo estudamos duas premissas diferentes sobre as propriedades do Universo primitivo quando ele tinha menos de 500 milhões de anos, para entender o efeito sobre as propriedades destas pequenas galáxias hoje quando o Universo tem 13 bilhões de anos”, explicou Brown. As duas prescrições para o BPN nas simulações diferiram em intensidade e na evolução do redshift. As amostras variaram de pequenos UFDG com cerca de 100 massas solares até galáxias anãs clássicas maiores com cerca de cinco milhões de massas solares. Também incluía halos de matéria escura que são escuros e sem estrelas até hoje. "A nova amostra sonda a transição de anões clássicos para ultradesmaios e pequenos halos incapazes de formar estrelas", escrevem os autores. Levou mais de 6 meses para executar as simulações. Os resultados mostram que galáxias maiores são menos afetadas pela LWB do que galáxias menores. "Galaxias com são na sua maioria insensíveis à escolha da LWB, enquanto sistemas de massa mais baixos respondem fortemente, produzindo relações de massa estelar acentuadamente diferentes (SMHM)," escrevem os pesquisadores. "A escala de massa na qual os halos passam de ser escuros e incapazes de formar estrelas, para hospedar uma galáxia é drasticamente afetada pela força da radiação LW inicial", explicam os autores. No geral, as simulações mostram que o LWB tem um efeito poderoso sobre o UFDG. "Mostramos que as propriedades, e o número esperado, das galáxias anãs ultra-fantas... são muito sensíveis ao suposto LWB em alta redshift", escrevem os autores. Os astrônomos já sabiam que as galáxias anãs foram impactadas pela reionização cósmica, mas não tinham certeza sobre o UFDG. "Enquanto já está bem estabelecido que as galáxias anãs são significativamente impactadas pela reionização cósmica, nós mostramos que a população ultra-faint também é sensível às propriedades assumidas do Universo muito antes desta época. As galáxias mais fracas, portanto, oferecem uma janela para o Universo antes da reionização, e são sondas promissoras para restringir o SFR inicial do Universo (z = 10o) e as propriedades das primeiras estrelas." “No artigo estudamos duas premissas diferentes sobre as propriedades do Universo primitivo quando ele tinha menos de 500 milhões de anos, para entender o efeito sobre as propriedades destas pequenas galáxias hoje quando o Universo tem 13 bilhões de anos”, explicou Brown. “Descobrimos que estas pequenas galáxias ultra-deficientes são muito sensíveis a estas mudanças, enquanto galáxias mais maciças, como a nossa Via Láctea, não se importam,” acrescenta, “Para as galáxias mais pequenas, as condições iniciais podem decidir se elas se tornam galáxias visíveis – ou permanecem halos de matéria escura sem estrelas.” A confirmação mais forte desses achados dependerá de mais dados. Espera-se que o Observatório Vera Rubin encontre muito mais UFDG em torno da Via Láctea. Pode até encontrar todos eles, e isso significa que teremos uma compreensão ainda melhor do Universo primitivo. Estas imagens Hubble mostram o UFDG Leo IV. As imagens ajudam a explicar por que o UFDG é tão difícil de encontrar. Felizmente, o Observatório Vera Rubin espera encontrar muitos mais deles. Brown (STScI) “Nosso trabalho sugere que essas próximas observações do próprio Universo local serão capazes de restringir o aspecto do Universo em sua infância, algo que atualmente não podemos acessar diretamente com outras observações”, disse Fattahi. Este trabalho relaciona-se com o que o JWST encontrou. Um de seus objetivos é estudar o Universo muito cedo, e descobriu algumas surpresas. Ambos os buracos negros e galáxias parecem ser muito mais maciços muito mais cedo do que pensávamos. As observações do JWST são do Universo distante, enquanto o Vera Rubin estará estudando o Universo local. Um melhor entendimento do UFDG local, considerado relíquias do Universo primitivo, poderia ajudar a unir tudo. "Com um esforço concertado tanto das comunidades observacionais como teóricas, estamos dispostos a fazer grandes progressos na ciência da galáxia anã na próxima década, e podemos usar esses sistemas como sondas para aprofundar o estudo das propriedades do Universo muito primitivo, restringir o nosso modelo cosmológico, e entender ainda mais o papel do feedback na formação da galáxia de condução", concluim os autores. Evan Gough Evan Gough é um cara que ama ciências sem educação formal que ama a Terra, florestas, caminhadas e música pesada. Ele é guiado pela citação de Carl Sagan: "Compreender é uma espécie de êxtase."