Interpretando os Resultados da Primeira Observação do Telescópio Espacial James Webb é uma série de artigos que explicam a interpretação das observações de James Webb e perspectivas futuras da perspectiva de um repórter e astrônomo no Science Times.
As primeiras observações feitas pelo Telescópio Espacial James Webb foram transmitidas ao vivo pela NASA TV em 12 de julho às 23h30 KST (12 de julho, 10h30 EST). Cinco imagens e espectrógrafos de alta resolução foram publicados: o aglomerado de galáxias SCAMS 0723, os exoplanetas de gás quente WASP-96b (Espectrógrafo Espectral), NGC 3132 conhecido como Nebulosa do Anel Sul, Pentagrama de Stefan e Nebulosa Carina. A borda do NGC 3324 inclui a “Prateleira Cósmica”. (Leia o artigo relacionado – “Telescópio Espacial James Webb Revela Resultados da Primeira Observação”)
Na série James Webb Space Telescope Observation Interpretation, examinamos imagens de alta resolução uma a uma para descobrir o que a imagem acima significa e o que James Webb planeja para as coisas acima no futuro. A primeira imagem de James Webb é do aglomerado de galáxias SCAMS 0723, famoso por ser o primeiro campo profundo do Telescópio Espacial James Webb.
→ Esta é uma continuação da primeira parte. (Veja o artigo relacionado – “O campo profundo de James Webb era tão bonito Parte 1”)
Interpretação dos resultados ④: o efeito da lente gravitacional
O Telescópio Espacial James Webb está muito distante e tem um foco nítido no aglomerado de galáxias SMACS 0723, que apareceu há 4,6 bilhões de anos. Numerosos aglomerados de estrelas foram capturados e revelados, revelando pequenas e fracas estruturas do universo que não eram visíveis anteriormente. A massa combinada desse aglomerado atua como uma lente gravitacional, ampliando as galáxias distantes atrás dele.
Imagem de campo profundo de James Webb mostrando o efeito de uma lente gravitacional © JWST / NASA, ESA, CSA
Primeiro, qual galáxia é responsável pela lente gravitacional? Apenas a galáxia elíptica branca brilhante no centro da imagem e galáxias brancas menores em toda a imagem.
Os objetos acima, unidos pela força gravitacional do aglomerado, dobram a luz da galáxia à medida que ela aparece a distâncias muito maiores. A massa combinada de galáxias e matéria escura é frequentemente vista como um telescópio espacial gigante, ampliando, distorcendo e às vezes invertendo galáxias individuais.). Nem todas as galáxias ao redor mostram um efeito de espelho. Algumas galáxias parecem estar se expandindo, enquanto outras parecem estar espalhadas por meio de interações com galáxias.
Para referência, de acordo com a expressão da NASA, as galáxias espalhadas parecem aglomerados de sementes de dente-de-leão. Perto da parte inferior da altura de difração da estrela central brilhante, à direita do longo arco laranja, uma galáxia com um aglomerado de estrelas salpicado pode ser vista.
A galáxia superior alta, esbelta e parecida com um besouro é um aglomerado de estrelas. As galáxias acima são muito ampliadas e as catedrais individuais são retratadas com muita clareza. Os astrônomos esperavam que estudos detalhados de galáxias distantes anteriormente impossíveis fossem possíveis.
As galáxias mais externas na imagem acima, as galáxias menores atrás do aglomerado, têm aparências muito diferentes das galáxias espirais e elípticas. Eles são mais nítidos e até têm formas irregulares.
Estudar esses objetos pode ajudar a determinar a idade e a massa de aglomerados de estrelas em galáxias distantes. Isso permitirá modelos precisos de galáxias cósmicas primitivas ainda não moldadas como galáxias espirais e, finalmente, como as primeiras galáxias se formam e evoluem.
Interpretação dos resultados⑤: Confirmação do efeito de espelho através do efeito de lentes gravitacionais
Resultados do espectro de emissão obtidos usando espectroscopia de infravermelho próximo (NIRSpec)ⓒ JWST/NASA, ESA e CSA
A imagem acima é uma imagem infravermelha do aglomerado de galáxias SMACS 0723. O grande aglomerado de galáxias no canto inferior direito da estrela brilhante acima distorce, aumenta ou reflete as muitas galáxias no campo profundo acima. No canto inferior esquerdo podemos ver que o arco pode ser formado por duas galáxias com a mesma forma. Isso porque, apesar da aparência flácida, a área central brilhante coincide em sua maioria. Ou é possível que sejam a mesma galáxia, mas parecem ser duas através de uma lente gravitacional. No entanto, não há muitos pontos que possamos verificar diretamente através das fotos. Isso ocorre porque mais pesquisas são necessárias para confirmar se os dois itens acima são os mesmos.
Os astrônomos começaram a coletar espectros dos dois objetos para ver se eles eram os mesmos. O espectro acima foi observado usando imager infravermelho próximo e espectroscopia sem fenda (NIRISS). A parte central da imagem grisma do NRISS (um instrumento com um prisma, uma grade, etc.) mostra como as linhas de emissão do átomo de hidrogênio e oxigênio ionizado são distribuídas ao longo do arco
Como resultado da análise dos espectros das duas galáxias como mostrado na figura à direita, pode-se ver que os dois espectros acima coincidem. Isso indica que os dois objetos são a mesma galáxia e são imagens especulares. O fenômeno do desvio para o vermelho também prova que a luz de ambas as galáxias foi emitida há 9,3 bilhões de anos.
A equipe de James Webb descreve essa análise como abrir um baú do tesouro, acrescentando que os astrônomos podem fazer descobertas inesperadas analisando todas as galáxias, mesmo que não sejam sinceras.
Interpretação dos resultados ⑥: Observação de galáxias que emitem luz há 13,1 bilhões de anos através de espectroscopia no infravermelho próximo.(Compreendendo a história e a evolução das galáxias através da formação)
O principal objetivo do Telescópio Espacial James Webb é encontrar as galáxias mais antigas do universo. Se for bem-sucedido, os astrônomos logo aprenderão mais sobre a massa, idade, história e composição das galáxias, e a humanidade se aprofundará nas origens do universo.
Pode-se ver que as três linhas no espectro aparecem na mesma ordem todas as vezes. A análise do desvio para o vermelho pode revelar a distância entre a galáxia. ⓒ JWST / NASA, ESA e CSA
A imagem acima mostra o espectro de emissão capturado pela matriz de microobturadores, que faz parte da espectroscopia de infravermelho próximo (NIRSpec). Mostra o espectro visível quando emitido em um potencial de baixa energia).
Para referência, um espectrômetro de infravermelho próximo com equipamentos como uma matriz de microobturadores contém mais de 248.000 microportas que podem coletar simultaneamente espectros de até cerca de 150 objetos individuais. A espectroscopia no infravermelho próximo é extremamente de alta resolução e sensível, permitindo-nos observar a luz de galáxias individuais que estavam presentes no início do universo.
O incrível desempenho do Telescópio Espacial James Webb nos permite observar o espectro de galáxias distantes. Especificamente, 48 das milhares de galáxias distantes localizadas atrás do aglomerado SMACS 0723 foram observadas simultaneamente. Os astrônomos podem expandir e analisar o espectro de emissão acima para determinar a composição química, a temperatura e até a densidade dos gases ionizados nas galáxias.
O espectro de emissão das galáxias pode dizer como as estrelas são formadas, quanta poeira elas contêm ou até mesmo os tipos de gases. Os astrônomos estão começando a analisar muitos dados de James Webb, o que nos permite aprender sobre as galáxias que existiram ao longo da história do universo e quantas existem.
Por exemplo, você pode ver que três linhas no espectro aparecem sempre na mesma ordem. Uma linha de hidrogênio e duas linhas de oxigênio ionizado são observadas, o desvio para o vermelho de galáxias individuais (o fenômeno em que o comprimento de onda das ondas eletromagnéticas se move mais do que o comprimento de onda padrão no espectro: o fenômeno oposto tem um desvio para o azul) e mudanças nas posições dessas padrões você pode descobrir a distância até a galáxia.
Em outras palavras, a razão entre os comprimentos de onda emitidos por galáxias distantes e os comprimentos de onda da luz que chegam ao Telescópio Espacial James Webb representa a razão entre o tamanho relativo do universo naquele momento e o universo atual (chamado fator de escala). E isso porque é um valor determinado pela idade. Isso finalmente nos permite determinar quanto tempo se passou desde que a luz foi emitida.
A análise do desvio para o vermelho pode revelar a distância entre a galáxia. Por exemplo, quanto maior o redshift, maior a galáxia. ⓒ JWST / NASA, ESA e CSA
Por meio dessa análise comparativa, ficou conhecida a composição dos vários elementos e, analisando o fenômeno do redshift, descobriu-se que a galáxia vermelha abaixo havia emitido luz há 13,1 bilhões de anos.
Ao analisar o fenômeno do redshift, descobriu-se que a galáxia vermelha abaixo havia emitido luz há 13,1 bilhões de anos. ⓒ JWST / NASA, ESA e CSA
É importante ressaltar que os astrônomos não analisaram todas as galáxias. Claro, pode haver luz escondida na imagem acima com mais de 13,1 bilhões de anos. Mesmo que não haja luz antiga na imagem acima, considerando que a imagem acima é uma parte muito pequena do universo, é muito provável que a luz primitiva do universo esteja escondida em outra imagem e em outra imagem. A equipe de James Webb descreve isso como uma “caça ao tesouro galáctico”.
A química de galáxias distantes é uma descoberta verdadeiramente surpreendente que nunca foi vista por um telescópio. Os astrônomos planejam comparar e analisar as características das galáxias antigas, comparando-as com galáxias espirais e elípticas próximas. Galáxias próximas podem ser bem analisadas usando outros telescópios. É apenas uma questão de tempo, dependendo de quantos telescópios estão observando o número de universos.
Quando os astrônomos analisam todo o espectro de James Webb, eles podem comparar os dois grupos de galáxias para ver como o universo evoluiu ao longo de bilhões de anos. Em outras palavras, é possível voltar ao passado, voltar ao universo primitivo.
Interpretação dos resultados ⑦: comparação após observar o mesmo corpo celeste em diferentes comprimentos de onda
ⓒ JWST / NASA, ESA e CSA
A imagem acima mostra uma comparação de imagens da mesma região tiradas nos comprimentos de onda do infravermelho médio (esquerda) e do infravermelho próximo (direita), que são convertidas em cores de luz visíveis semelhantes à primeira imagem publicada, mas invisíveis aos nossos olhos. Também listados abaixo em letras coloridas estão o instrumento de infravermelho médio (MIRI) e o filtro NIRCam usado para coletar luz.
A razão pela qual as duas imagens são diferentes é que elas foram observadas em comprimentos de onda fundamentalmente diferentes, mas os dois dispositivos também são tecnicamente diferentes. Por exemplo, o MIRI, que usa radiação infravermelha média, confirma a presença de poeira, um componente essencial da formação de estrelas. No entanto, como a estrela brilha mais intensamente em comprimentos de onda mais curtos, a imagem da altura de difração é muito mais nítida na imagem do que a NIRCam.
Primeiro, dê uma olhada na maior e mais brilhante estrela azul na imagem à direita. Na imagem do infravermelho próximo à direita, há um pico muito longo na difração, mas na imagem do infravermelho médio à esquerda o pequeno ponto parece um floco de neve. Se houver pequenos picos na imagem esquerda do infravermelho médio, o objeto acima é uma estrela. Dependendo do comprimento de onda que emite e do filtro utilizado, uma estrela pode aparecer amarela ou verde. Se o objeto estiver verde, isso indica que a poeira da galáxia contém hidrocarbonetos e outros compostos.
Além disso, se o objeto for de cor azul e não houver espinhos, ele representa uma galáxia. Essas galáxias, é claro, contêm estrelas, mas é provável que a quantidade de poeira seja muito pequena. Isso significa que menos gás e poeira devem se combinar para formar novas estrelas, e as estrelas nessas galáxias são geralmente mais velhas. Além disso, os objetos vermelhos são provavelmente galáxias distantes cercadas por uma espessa camada de poeira. No entanto, é possível que sejam algumas estrelas. Portanto, mais estudos são necessários para caracterizá-lo completamente na imagem do infravermelho médio à esquerda.
Um arco proeminente aparece no centro do aglomerado, uma galáxia estendida e ampliada devido ao efeito de lente gravitacional, mostrada em azul nas imagens do infravermelho médio e laranja nas imagens do infravermelho próximo. Como mostrado acima, a espectroscopia mostra que as galáxias acima são galáxias antigas, mas os objetos azuis na imagem à esquerda representam galáxias mais antigas e menos poeira, então isso também indica que as galáxias acima são mais antigas e menos empoeiradas.
O tamanho das galáxias em ambas as imagens nos dá pistas sobre a distância entre elas. Quanto menor o objeto, mais distante ele está, e as galáxias mais próximas do infravermelho médio têm uma cor branca. A equipe de James Webb usará dados e modelagem de infravermelho médio para calcular a quantidade de poeira em estrelas e galáxias e entender como as galáxias se formam e evoluem ao longo do tempo.
O primeiro guia da série de interpretação de observação do telescópio espacial James Webb
Sobre o campo profundo: o campo profundo de James Webb era tão bonito – Parte 1
Sobre o campo profundo: o campo profundo de James Webb era tão bonito – Parte 2
Relacionado a exoplanetas: A descoberta de água na atmosfera de um planeta gasoso quente
Associado à Estrela da Morte: Uma Nebulosa Planetária Envolta em Pó – Parte 1
Star Death Linked: Nebulosas Planetárias Rodeadas por Poeira – Parte Dois
Sobre Nasce Uma Estrela: James Webb filma Nasce Uma Estrela
Galáxias Relacionadas: Como as Galáxias Evoluem – Parte 1
Galáxia Relacionada: Como as Galáxias Evoluem – Parte Dois
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