No estudo, publicado em The Astrophysical Journal Letters, os autores Fabio Pacucci e Abraham (Avi) Loeb sugerem que essas galáxias são resultado de halos de matéria escura girando lentamente, uma estrutura cósmica extremamente rara.

Esses objetos compactos e de baixa luminosidade, descobertos em imagens de espaço profundo obtidas pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST), desafiaram a compreensão dos cientistas sobre como as galáxias e os buracos negros se formaram no universo primitivo.

Seu artigo, “Outliers Cósmicos: Halos de Baixo Giro Explicam a Abundância, Compactação e Evolução da Redshift dos Pequenos Pontos Vermelhos”, oferece uma explicação física para as propriedades distintivas desses pontos.

“Os pequenos pontos vermelhos são galáxias compactas e vermelhas distantes que estavam completamente indetectáveis antes do Telescópio Espacial James Webb,” disse Pacucci. “Eles são, sem dúvida, a descoberta mais surpreendente do JWST até o momento. Nosso trabalho mostra que esses objetos poderiam se formar naturalmente em halos de matéria escura com spin muito baixo.”

Um Enigma no Universo Inicial

Essas galáxias são principalmente visíveis quando o Universo tinha apenas um bilhão de anos, mas provavelmente se formaram muito antes, disse Pacucci, durante um período conhecido como a aurora cósmica. Apesar de terem cerca de um décimo do tamanho das galáxias típicas, observações astronômicas mostram que elas parecem incomumente brilhantes. Os astrônomos acreditam que sua cor vermelha marcante indica que estão envoltas em poeira ou cheias de estrelas mais antigas.

Por anos, os astrônomos debateram se a luz que observamos a partir desses objetos é gerada por estrelas ou buracos negros supermassivos centrais.

“É um mistério fundamental,” disse Pacucci. “Se eles contêm buracos negros, esses buracos negros são enormes para galáxias tão pequenas. Mas se contêm apenas estrelas, as galáxias são compactas demais para conter todas elas, alcançando densidades centrais estelares que são impensáveis.”

Em vez de focar no que alimenta os pontos luminosos, Pacucci e Loeb adotaram uma abordagem diferente: eles examinaram como tais objetos poderiam se formar inicialmente.

O Ciclo de Baixo Giro

Os halos de matéria escura são a estrutura invisível e giratória ao redor da qual as galáxias se formam. No seu artigo, os autores mostram que os pontos luminosos se formaram em halos que estão no 1% mais baixo da distribuição de giro. Em outras palavras, 99% de todos os halos giram mais rápido do que esses. Esses halos de baixo giro criariam naturalmente galáxias extremamente compactas. Assim como os brinquedos de balanço em um parque de diversões, quanto mais rápido o halo gira, mais longe os balanços se esticam, fazendo com que a galáxia em seu centro se expanda; da mesma forma, um giro lento mantém o raio dos balanços menor.

Esta hipótese também explica por que os pontos luminosos são relativamente raros: eles representam apenas 1% da abundância de galáxias típicas, mas são mais comuns que os quasares, os centros extremamente brilhantes de buracos negros supermassivos que brilham no centro de algumas galáxias.

Além disso, a teoria ajuda a esclarecer por que os pontos luminosos são observados apenas durante um breve período de um bilhão de anos no início do universo. À medida que o universo evolui, os halos de matéria escura crescem e ganham mais momento angular, dificultando a formação de galáxias compactas de baixo giro.

“Os halos de matéria escura são caracterizados por uma velocidade rotacional: alguns deles giram muito lentamente, enquanto outros giram mais rapidamente,” disse Loeb. “Mostramos que se você assumir que os pequenos pontos vermelhos estão tipicamente no primeiro percentil da distribuição de giro dos halos de matéria escura, então você explica todas as suas propriedades observacionais.”

Ambientes Favoráveis para Buracos Negros

Embora o artigo não resolva a questão de saber se os pequenos pontos vermelhos são alimentados por estrelas ou buracos negros, sugere que são ambientes ideais para o crescimento rápido de estrelas ou buracos negros.

“Halos de baixo giro tendem a concentrar massa no centro, o que facilita para um buraco negro acumular matéria ou para estrelas se formarem rapidamente,” disse Pacucci.

Alguns dos pontos mostram linhas de emissão amplas em seus espectros, que são possíveis sinais de buracos negros ativos, mas carecem da emissão de raios-X normalmente associada a eles. Pacucci está liderando novos programas para entender melhor a natureza dessas fontes astrofísicas peculiares. Por exemplo, encontrar galáxias semelhantes nas proximidades ajudará a esclarecer em que elas se tornam mais distante no espaço.

“Nosso trabalho é um passo na compreensão desses objetos misteriosos,” disse ele. “Eles podem nos ajudar a entender como os primeiros buracos negros se formaram e co-evoluíram com as galáxias no universo primitivo.”