Telescópio James Webb deteta sinal misterioso no Campo Ultraprofundo de Hubble

Na constelação austral da Fornalha existe uma minúscula região do céu que parece igual a tantas outras. É provável que o olhar já tenha passado por ela centenas de vezes, sem lhe prestar atenção.

Apesar da sua aparência banal, este pequeno recanto do cosmos está entre os mais bem catalogados do céu. O Telescópio Espacial Hubble observou-o durante mais de 270 horas para obter o célebre Campo Ultraprofundo de Hubble (HUDF), que contém quase 10 000 galáxias situadas a milhares de milhões de anos-luz de distância.

Quando o Telescópio Espacial James Webb (JWST) foi lançado, era natural que os seus espelhos dourados se voltassem para a mesma região, recorrendo à sua capacidade muito mais sensível de observar no infravermelho para encontrar o que pudesse ter escapado ao Hubble.

Agora, o telescópio revelou que esta parcela do espaço, estudada atentamente pelos astrónomos há décadas, poderá ainda guardar surpresas.

Um sinal inesperado no Campo Ultraprofundo de Hubble

Num pequeno canto deste campo já de si minúsculo, o JWST detetou um sinal estranho. Não aconteceu apenas uma vez: surgiu em duas observações separadas por quase três meses.

Há, porém, um problema. Em todas as outras observações anteriores, tanto do JWST como do Hubble, não aparece absolutamente nada naquele local.

Isso não significa que não exista ali coisa alguma. Poderá haver um objeto demasiado ténue para ser detetado em condições normais, que tenha libertado por breves instantes uma forte emissão. Ainda assim, o sinal continua a ser um mistério sem uma explicação satisfatória.

Para perceber o que o torna tão estranho, é preciso conhecer primeiro alguns dos métodos que os astrónomos usam para estudar o Universo.

Ao olhar através de um telescópio ótico, vemos uma imagem formada pela luz recolhida pelo seu espelho. É essencialmente isso que vemos no HUDF: uma composição de imagens obtidas com diferentes filtros, cada um dos quais capta uma determinada gama de comprimentos de onda.

Alguns telescópios conseguem também decompor a luz nos seus diferentes comprimentos de onda. O princípio é semelhante ao de um prisma que separa a luz branca nas cores do arco-íris, mas com uma separação muito mais detalhada.

Esta técnica permite revelar características da luz difíceis de distinguir numa imagem com vários comprimentos de onda. A luz do Sol, por exemplo, parece branca quando é recolhida no seu conjunto. Mas, ao ser decomposta num espetro, apresenta linhas escuras nos pontos em que átomos da atmosfera solar absorveram comprimentos de onda específicos.

Outros objetos produzem, em vez disso, linhas brilhantes, nos pontos em que átomos ou moléculas libertam energia sob a forma de luz em comprimentos de onda específicos. Estas são designadas linhas de emissão.

Para detetar linhas de absorção e de emissão, os astrónomos recorrem à espetroscopia, uma técnica que permite determinar a composição química e outras propriedades dos objetos astrofísicos.

Como o James Webb procurou objetos desconhecidos

O astrofísico Mason Huberty, da Universidade do Minnesota, e os seus colegas quiseram experimentar uma abordagem diferente.

Em vez de utilizarem a espetroscopia para estudar objetos já conhecidos, procuraram descobrir se o Espetrógrafo de Infravermelho Próximo (NIRSpec) do JWST poderia servir para encontrar objetos ainda não identificados.

Habitualmente, os astrónomos escolhem alvos conhecidos a partir de observações existentes e posicionam as minúsculas aberturas do instrumento para que a luz desses alvos entre no espetrógrafo. É uma técnica muito útil, mas tem uma limitação: exige que se saiba antecipadamente onde está o alvo.

Huberty e a sua equipa fizeram praticamente o contrário.

Abriram quase todas as aberturas, fechando apenas as que cobriam objetos conhecidos em primeiro plano, identificados em observações anteriores do Hubble. A luz desses objetos poderia contaminar os espetros que pretendiam recolher.

Em seguida, decompuseram a luz recolhida em espetros e procuraram linhas de emissão nos dados obtidos.

Repetiram o procedimento em duas janelas de observação, separadas por 88 dias, em agosto e novembro de 2023. Um pormenor crucial foi a utilização de ângulos de observação diferentes, o que ajudaria a eliminar efeitos artificiais e falhas.

O objetivo era encontrar objetos ténues e distantes que pudessem ter escapado às observações convencionais, através de uma técnica denominada coronografia multiobjeto para espetroscopia sem fenda (MOCSS).

O HUDF era um local de teste ideal: a abundância de observações já existentes permitia aos investigadores comparar os seus resultados com galáxias conhecidas.

A técnica funcionou. No final, seis deteções que cumpriam os critérios rigorosos da equipa puderam ser associadas a galáxias distantes no HUDF.

O problema estava na sétima deteção.

A linha de emissão misteriosa e as possíveis origens

Tratava-se de uma única linha brilhante, presente nas duas observações no infravermelho próximo, em cerca de 1,6 micrómetros. Por si só, isso não seria especialmente estranho: a emissão no infravermelho próximo é muito comum.

O que causou perplexidade foi o seu isolamento. Não havia qualquer outra linha de emissão a acompanhá-la e, nas observações anteriores do Hubble e do JWST, nada mais era visível naquela região do espaço.

Também não é fácil atribuir o sinal a uma falha. Surgiu nos quatro conjuntos de exposições combinadas, nas duas orientações de observação separadas por 88 dias, e as medições eram consistentes.

Há ainda um dado decisivo: a linha de emissão era suficientemente brilhante para ter aparecido nas imagens anteriores do JWST.

Se estivesse presente durante o levantamento JADES do JWST, realizado em outubro de 2022, o telescópio não a poderia ter deixado passar despercebida.

Isto levanta a possibilidade de o sinal não estar presente nessa altura.

Identificar uma linha isolada é, contudo, muito difícil sem saber exatamente a que distância se encontra a sua fonte. À medida que o espaço se expande, a luz é esticada para comprimentos de onda cada vez mais vermelhos.

Assim, um fotão infravermelho pode corresponder a luz energética proveniente de muito longe ou a luz menos energética emitida muito mais perto. Para distinguir as duas possibilidades e perceber como a luz foi produzida, é necessária mais informação do que apenas o seu comprimento de onda.

Existem várias hipóteses para a origem da linha de emissão. Quatro destacam-se, mas nenhuma se ajusta inteiramente aos dados.

A primeira é uma galáxia do Universo primitivo. Esta explicação enfrenta dois problemas principais: a linha de emissão teria dificuldade em atravessar o hidrogénio neutro que preenchia o Universo nessa época e deveria ter aparecido nas observações do JADES.

Uma galáxia mais recente também poderia estar na origem do sinal, mas, além do problema relacionado com o JADES, deveria apresentar outras linhas de emissão, e não apenas uma.

A fonte poderia ter sido uma supernova. Nesse caso, porém, também deveria ter produzido outra linha de emissão que não foi detetada.

Por fim, um buraco negro a despedaçar uma estrela pode produzir uma linha de emissão forte, mesmo sem emitir muita outra luz detetável. Não há, contudo, provas suficientes para estabelecer que foi isso que aconteceu.

Resta, por isso, uma coisa a fazer.

“Este objeto é altamente invulgar e permite investigar condições físicas extremas”, escrevem os investigadores.

“São essenciais observações de acompanhamento para confirmar o desvio para o vermelho e determinar a origem física da emissão […] Uma espetroscopia mais profunda e sensível poderá revelar outras linhas de emissão e estabelecer definitivamente o desvio para o vermelho e a natureza da fonte.”

O estudo foi publicado na revista Jornal Astrofísico.

Este artigo foi verificado e editado por Fiona MacDonald. Embora nos orgulhemos do nosso processo, também somos humanos. Se detetar algum erro, informe-nos.