JWST revela que galáxias antigas escondem massa quatro vezes superior ao estimado

O espectrógrafo do James Webb lê populações estelares individuais como um prisma lê uma chama. Ao apontá-lo para uma galáxia distante e recolher fotões suficientes, o espectro resultante codifica não só que tipos de estrelas estão presentes, mas em que proporções. Essa medição sempre foi teoricamente possível; às distâncias envolvidas — luz que partiu quando o Universo tinha menos de 1,5 mil milhões de anos — nenhum telescópio a tinha feito de forma fiável. O Telescópio Espacial James Webb mudou isso.

O resultado, publicado na Nature Astronomy, é que nove galáxias massivas do Universo primitivo estão a esconder uma grande população de estrelas pequenas, ténues e de baixa massa atrás da luz ofuscante das suas congéneres gigantes. Essas estrelas ocultas acrescentam massa. Para pelo menos uma galáxia, formada menos de 1,5 mil milhões de anos após o Big Bang, a massa real pode ser quatro vezes superior a qualquer estimativa anterior.

Esse número é relevante porque os modelos modernos de formação de galáxias já estavam a ter dificuldade em explicar estes objetos. Agora têm de os explicar com quatro vezes mais massa.

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Como o espectrógrafo lê o que telescópios anteriores não conseguiam

As estrelas surgem numa vasta gama de massas, desde gigantes brilhantes e de curta duração até anãs pequenas, ténues e de longa vida. Em qualquer galáxia, a proporção de estrelas grandes para pequenas — chamada função de massa inicial — determina quanta massa está bloqueada em estrelas ténues demasiado fracas para serem detetadas individualmente a distâncias cosmológicas.

Até agora, os astrónomos que trabalhavam em galáxias primitivas tinham de assumir que a função de massa inicial se assemelhava grosseiramente à observada na Via Láctea atual: uma mistura bem calibrada. A suposição não era irrazoável. Simplesmente não era testável.

O instrumento NIRSpec do JWST — o seu espectrógrafo de infravermelhos próximos — capta a luz combinada de uma galáxia inteira e divide-a com uma precisão que nenhum observatório anterior conseguia igualar a estas distâncias. A técnica consiste em identificar diferenças subtis nas características de absorção espectral próprias das estrelas de baixa massa, características que normalmente se afogam no brilho das suas companheiras mais luminosas. A equipa combinou os espectros do JWST com dados adicionais do Very Large Telescope para limitar os seus modelos.

«Medições como estas simplesmente não eram possíveis até recentemente», disse Martje Slob, coautora do estudo. «Precisávamos não só de um telescópio capaz de recolher luz suficiente, mas também de espectros de qualidade excecionalmente alta e de novas técnicas de análise. Só então pudemos distinguir de forma fiável as características subtis das estrelas pequenas da luz de estrelas muito mais brilhantes.»

O estudo examinou nove galáxias massivas quiescentes — que já tinham completado a sua fase principal de formação estelar — utilizando esta abordagem. Em todos os casos, a função de massa inicial era mais inclinada do que o padrão da Via Láctea. Mais estrelas pequenas. Muito mais massa.

O problema das galáxias impossíveis acaba de se tornar mais difícil

A tensão entre o que os modelos de formação de galáxias preveem e o que os telescópios observaram no Universo primitivo é um dos puzzles mais discutidos da cosmologia moderna. No modelo padrão de formação de estruturas cósmicas, os primeiros mil milhões de anos não deveriam ter produzido galáxias tão grandes e gravitacionalmente estabilizadas como as que o JWST tem vindo a encontrar desde 2022.

Essas galáxias já eram difíceis de explicar. Este estudo torna-as ainda mais difíceis.

A autora principal, Chloe Cheng, da Universidade de Leiden, ofereceu uma analogia: «Se uma galáxia fosse uma cidade, as estrelas mais brilhantes seriam os arranha-céus que se veem imediatamente de longe. Os nossos modelos mostram que por detrás das estrelas mais brilhantes existe uma população muito maior de estrelas pequenas, como casas entre os arranha-céus. Isto significa que a galáxia como um todo é muito mais massiva do que as estimativas anteriores sugeriam.»

As estimativas anteriores de massa para galáxias massivas primitivas baseavam-se na fotometria — brilho total — calibrada com base em suposições sobre as populações estelares. A espectroscopia é uma leitura mais direta, embora exija muito mais tempo de telescópio e sensibilidade. As novas estimativas sugerem que a abordagem fotométrica subestimou consistentemente, nalguns casos por um fator de quatro.

O que as estrelas ocultas podem mudar para além da cosmologia

Mariska Kriek, autora sénior do estudo e professora na Universidade de Leiden, apontou para uma implicação que vai além das massas das galáxias: «As estrelas pequenas têm frequentemente planetas a orbitá-las, por isso, se houve muito mais estrelas pequenas no Universo primitivo do que pensávamos, pode também ter havido mais planetas.»

As estrelas de baixa massa — anãs vermelhas e estrelas do tipo K — são os hospedeiros mais comuns de planetas rochosos no Universo atual. Se as primeiras galáxias massivas continham uma proporção muito maior destas estrelas do que se supunha, o Universo primitivo pode ter sido um lugar mais povoado por planetas do que o modelo padrão permitia. A extensão dessa implicação dependeria de quão difundido se revela ser este enviesamento estelar na população de galáxias do Universo primitivo.

O que o estudo não resolve

A amostra é de nove galáxias. Esse número é uma função do tempo de observação e da capacidade atual do telescópio, não um censo completo. O estudo mostra que a abordagem funciona e demonstra que o efeito é real — a função de massa inicial nestes sistemas primitivos é desequilibrada para baixo. Se isso se aplica a centenas ou milhares de galáxias massivas primitivas, e em que magnitude, permanece por medir.

O estudo também não aborda o mecanismo. Porque razão as primeiras galáxias massivas terão formado proporcionalmente mais estrelas de baixa massa do que as galáxias atuais é uma questão em aberto. Pode estar relacionado com diferentes metalicidades do gás, temperaturas ou turbulência no Universo primitivo — cada uma dessas possibilidades teria implicações diferentes para os modelos de formação de galáxias. A medição espectral delimita o quê; o porquê ainda requer mais dados e teoria.

Perguntas comuns sobre a massa de galáxias primitivas

Como é que os astrónomos pesam uma galáxia que não conseguem ver por dentro? Lendo a sua luz. O espectro de uma galáxia codifica que tipos de estrelas contém e em que proporções. As estrelas brilhantes dominam a aparência visual, mas contribuem com menos massa total do que a população de estrelas ténues e de baixa massa. A espectroscopia permite aos astrónomos medir a fração de massa retida em estrelas ténues, o que altera a estimativa de massa total.

O que é a função de massa inicial? Descreve a distribuição de massas estelares quando uma população de estrelas se forma. Uma função desequilibrada para cima produz mais estrelas massivas e luminosas; uma função desequilibrada para baixo produz proporcionalmente mais estrelas pequenas e ténues. A função não é fixa — pode variar consoante o tipo de galáxia, idade e ambiente. Este estudo descobriu que as galáxias massivas primitivas têm uma função mais desequilibrada para baixo do que a Via Láctea.

Estas são realmente galáxias “impossíveis”? Não literalmente impossíveis — mas desafiam as previsões do modelo padrão sobre a rapidez com que grandes estruturas se podem formar no Universo primitivo. O modelo padrão Lambda-CDM permite a formação de galáxias, mas a taxa a que prevê a formação de galáxias massivas estabilizadas é mais lenta do que as observações têm mostrado. Cada revisão em alta da massa agrava essa tensão.

As estrelas ocultas podem albergar planetas? As estrelas de baixa massa são os hospedeiros mais comuns de planetas. Se as primeiras galáxias continham muito mais delas do que se supunha, o Universo primitivo pode ter tido mais sistemas planetários do que os modelos padrão preveem. O estudo não faz afirmações sobre habitabilidade; a implicação é estatística e depende de quão difundida se revela a função de massa desequilibrada para baixo.

A equipa de Leiden está a alargar a sua análise espectral a uma amostra maior de galáxias do Universo primitivo, utilizando programas de observação do JWST já agendados. Quando esse catálogo alargado chegar, as estimativas de massa revistas permitirão um teste mais definitivo de se a distribuição estelar desequilibrada para baixo é típica das galáxias massivas primitivas ou confinada a uma classe particular delas. Os modelos cosmológicos que têm dificuldade em explicar estas galáxias com as suas massas atualmente estimadas enfrentarão então um conjunto de dados muito maior.

Referência: Cheng et al., “Hidden mass in early galaxies revealed by bottom-heavy initial mass functions,” Nature Astronomy, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02932-4

Etiquetas: James Webb Space Telescope, JWST, early universe, galaxy formation, initial mass function, leiden university

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