Telescópios são máquinas do tempo. A luz leva tempo para chegar até nós, então vemos objetos distantes como eram quando sua luz começou sua jornada em direção à Terra. O Telescópio Espacial James Webb é uma das máquinas do tempo mais poderosas já construídas: poderoso o bastante para descobrir galáxias cuja luz tem viajado até nós desde quando o universo tinha pouco mais de 2% de sua idade atual. O universo de então deveria ter um aspecto diferente, e aquelas galáxias deveriam ter um aspecto diferente também. Afinal, foi nessa época que as galáxias começaram a crescer, quando deveriam estar formando estrelas vigorosamente, parecendo crianças hiperativas. Esse tipo de galáxia de fato existia naquela época, e, no entanto, o JWST também encontrou galáxias muito mais desenvolvidas, galáxias “adultas”. Algumas que parecem grandes demais, e antigas demais, para um universo com apenas algumas centenas de milhões de anos.

Ao longo dos últimos um ou dois anos, esse mistério circulou amplamente na divulgação científica, incluindo algumas especulações alarmistas, como a de que o modelo do Big Bang estaria completamente errado. Se há galáxias antigas a 13 bilhões de anos no passado, como o universo pode ter apenas 13 bilhões e meio de anos de idade? Vale registrar a situação atual desse enigma das galáxias primordiais.

Antes disso, convém falar um pouco mais sobre o que, de fato, esperaríamos que as galáxias do universo primitivo parecidas. As galáxias se organizaram a partir de minúsculas flutuações de densidade no universo muito primitivo, que vemos na variação sutil da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. A CMB revela regiões com pequenos excessos de matéria: gás de hidrogênio, mas, mais importante, matéria escura, que supera o gás em massa por um fator de pelo menos cinco. À medida que a matéria escura se aglomerou pela gravidade, arrastou o gás consigo, e, conforme esse gás se compactou, as primeiras estrelas nasceram. Essas galáxias muito primitivas devem ter começado pequenas, mas com formação estelar bastante intensa, devido à enorme abundância de gás naquela época. À medida que continuaram a crescer, colidiram e se fundiram, construindo-se gradualmente nas galáxias maduras que observamos hoje.

Acreditamos entender esse processo razoavelmente bem, ou ao menos pensávamos que entendíamos. Entre as medidas precisas da CMB e nossa compreensão teórica da gravidade, da formação estelar e de outros processos, nossas simulações computacionais nos permitem explorar os possíveis cenários de crescimento das galáxias. Podemos prever, por exemplo, que as galáxias primitivas deveriam estar formando estrelas a uma taxa altíssima, devido às enormes quantidades de material bruto, gás de hidrogênio, disponível naquela época. Uma previsão que deveria ser ainda mais robusta é o tamanho dos halos de matéria escura, os imensos reservatórios de matéria escura que envolvem todas as galáxias e as mantêm coesas. Como a matéria escura não deve ser fortemente afetada pelo comportamento complicado do gás e das estrelas, temos alta confiança em nossa compreensão de como esses halos cresceram ao longo do tempo. Ou ao menos pensávamos que tínhamos.

Uma previsão muito clara de todo esse modelo é que boa parte desse crescimento dos halos deveria ter ocorrido nos primeiros 10% da idade do universo. Naqueles primeiros 1,5 bilhão de anos desde o Big Bang, não deveria haver praticamente nenhum halo muito grande, e, portanto, nenhuma galáxia muito grande. É o que a teoria e as simulações dizem. Mas, para verificar isso, precisamos de máquinas do tempo poderosas: telescópios.

À medida que os telescópios foram ficando maiores e as câmeras mais sensíveis, finalmente conseguimos sondar épocas suficientemente remotas para testar adequadamente nossos modelos de crescimento dos halos. Foi aí que o problema começou, cerca de 15 ou 16 anos atrás, quando nossos levantamentos de galáxias de alto desvio para o vermelho, isto é, levantamentos de galáxias muito distantes, finalmente alcançaram essas distâncias e começaram a retornar algumas respostas. E esses levantamentos começaram a detectar alguns casos que pareciam ser halos gigantescos em épocas cada vez mais remotas, além de um indício de galáxias excessivamente avermelhadas no universo primitivo. Galáxias que estão formando estrelas ativamente deveriam ser brilhantes em comprimentos de onda curtos, porque possuem muitas estrelas gigantes, quentes e de vida curta: são relativamente azuis em comparação com galáxias mais antigas. Galáxias mais velhas, que já não formam estrelas tão ativamente, parecem muito mais avermelhadas, porque aquelas estrelas azuis de vida curta já explodiram.

Esses levantamentos iniciais ainda não revelavam nada extraordinário, apenas um punhado de casos em que as galáxias pareciam grandes demais ou evoluídas demais em relação ao previsto pelos modelos. Em 2018, Charles Steinhardt e sua equipe articularam essa tensão emergente em seu artigo “The Impossibly Early Galaxy Problem”, o problema da galáxia impossívelmente precoce. Mas coisas impossíveis são, bem, impossíveis, o nome já diz. E assim foram elaboradas diversas explicações não impossíveis para essas galáxias. Para começar, não observamos diretamente esses halos de matéria escura excessivamente grandes: apenas vemos a luz das estrelas, e usamos essa luz para inferir a massa das estrelas e, a partir daí, a massa dos halos que as contêm. Mas esse passo exige suposições, e se qualquer dessas suposições estiver errada, talvez tenhamos obtido a massa do halo errada. E o avermelhamento que sugere uma população estelar velha pode ser causado por outras coisas também, e há diversas outras questões com essas inferências.

Mas, mesmo que as galáxias observadas nesses levantamentos terrestres fossem realmente muito antigas e muito grandes, isso ainda não quebraria toda a astrofísica e a cosmologia. Forçando nossos modelos de formação galáctica, podemos potencialmente acelerar a evolução das galáxias para explicar por que essas coisas existem quando o universo tem 10% de sua idade atual. O que realmente gostaríamos de fazer é olhar ainda mais longe no tempo para encontrar quando essas galáxias elas mesmas estavam crescendo. E foi exatamente isso que fizemos com o Telescópio Espacial James Webb.

O JWST foi projetado para levar esse jogo das galáxias primordiais a novos limites extremos. É o maior telescópio já lançado ao espaço, portanto o mais poderoso. Também é projetado para ser sensível a comprimentos de onda muito longos de luz, bem dentro da parte infravermelha do espectro eletromagnético, o infravermelho médio. Isso é crucial para essas primeiras galáxias por causa da expansão do universo: sua luz tem viajado até nós por grande parte da idade do universo, e, como essas ondas eletromagnéticas percorreram o espaço em expansão, foram esticadas, com seus comprimentos de onda aumentados. Esse é o desvio para o vermelho cosmológico, e um desvio maior significa maior tempo de viagem e maior distância. Para as galáxias que nos interessam, esse desvio converte a luz visível e até a ultravioleta em infravermelho médio, daí a necessidade do JWST.

Os primeiros esforços com o JWST usaram métodos similares aos dos nossos levantamentos de galáxias terrestres. O primeiro passo num levantamento de galáxias é fotografar com diferentes filtros correspondentes a diferentes faixas de comprimento de onda e, em seguida, comparar a quantidade de luz em cada filtro: chamamos isso de imagem fotométrica. Conseguimos aprender muita coisa com as razões de brilho entre os filtros, e portanto com as cores. Descobrimos galáxias candidatas dessa forma, fazemos uma estimativa grosseira da distância porque as razões de cores sugerem um desvio para o vermelho, e podemos restringir a população estelar, tanto o número de estrelas quanto a distribuição de diferentes tipos: por exemplo, cores mais avermelhadas indicam uma população mais velha, com poucas estrelas massivas.

O que o JWST encontrou? Bem, primeiro, confirmou a presença de galáxias excessivamente massivas e excessivamente antigas detectadas nos estudos anteriores, lembrando que aquelas vinham de uma idade cósmica de cerca de 10%, um desvio para o vermelho de 4. Uma vantagem crítica do JWST é que ele é sensível o bastante para realizar espectroscopia adequada nessas galáxias, podendo medir seu espectro, a quantidade de luz em função do comprimento de onda. Esses espectros confirmaram que os desvios para o vermelho são, de fato, muito altos. Confirmaram também que o avermelhamento dos espectros se deve a populações estelares altamente evoluídas, e não, por exemplo, à presença de muito pó nas galáxias, o que pode causar um avermelhamento similar nas análises fotométricas.

Com essas confirmações de galáxias primitivas com aspecto de velhas, os pesquisadores em geral começaram a prestar mais atenção. A mídia começou a noticiar quando o JWST avançou para distâncias e épocas ainda maiores e continuou encontrando esses objetos. Atualmente, a mais antiga galáxia gigante e evoluída candidata descoberta pelo JWST está a um desvio para o vermelho de 7,3, apenas 5% da idade do universo. E aí parece que temos um conflito real com nossos modelos de formação galáctica: halos de matéria escura grandes demais, e populações estelares evoluídas demais para o curto tempo que tiveram para se desenvolver.

É por isso que começamos a ouvir afirmações histéricas de que o universo tem o dobro da idade que pensávamos, ou que o modelo do Big Bang foi completamente derrubado. Não foi, e não é verdade. Há simplesmente muita corroboração independente do nosso modelo de um universo em expansão de 13 e tantos bilhões de anos. Não se pode apontar para uma discrepância intrigante, mas isolada, e decidir jogar o universo-bebê fora junto com a água do banho. Existem explicações muito mais parcimoniosas para nossas galáxias improvavelmente precoces.

Vejamos uma das mais convincentes. Quando calculamos as massas desses supostos halos gigantescos de matéria escura, nos baseamos na luz das estrelas que observamos, e isso exige uma compreensão da relação entre essas duas coisas, a luz das estrelas e a massa do halo de matéria escura, o que envolve suposições. Uma suposição é que a massa do halo está conectada à massa em estrelas, e que essa “massa estelar” está conectada à quantidade de luz que vemos nessas estrelas. Mas não vemos a luz de todas as estrelas: normalmente, a luz que coletamos é dominada pelas estrelas mais brilhantes da galáxia. Precisamos então determinar os números relativos de diferentes tipos de estrelas, para extrapolar da luz observada das estrelas à massa de todas as estrelas, vistas e não vistas. E há outra suposição aí. Sim, a partir daí podemos chegar à massa do halo.

Conhecer a distribuição de massas estelares numa galáxia do outro lado do universo exige, para dizer o mínimo, um bom palpite. E talvez a maior incógnita seja algo chamado função de massa inicial, a IMF, do inglês initial mass function. Ela nos diz os números relativos de estrelas em diferentes massas que se formam quando um surto de formação estelar ocorre. Normalmente usamos a IMF medida para a Via Láctea, às vezes com vários refinamentos. Mas não sabemos se as estrelas se formaram com distribuições de massa similares no universo primitivo, e provavelmente não se formaram. Por exemplo, quando há menos elementos pesados disponíveis, provenientes de gerações de estrelas antigas, é mais fácil formar estrelas realmente gigantescas, porque as nuvens de gás não se fragmentam tanto ao colapsar. Isso daria o que chamamos de uma IMF “inclinada para o topo”, top-heavy: mais estrelas massivas se formam num dado surto de formação estelar em relação ao que ocorre na Via Láctea. E mais estrelas brilhantes e massivas significa que essas galáxias seriam excessivamente brilhantes para uma dada massa de halo. Então, se estamos determinando a massa do halo a partir da luz dessas estrelas massivas, superestimamos a massa do halo. Uma IMF desse tipo, inclinada para o topo, é provavelmente a principal candidata a explicar o tamanho aparentemente gigantesco dos halos de matéria escura, e pode até resolver o enigma.

Mas o mistério não para por aí. Um novo estudo encontrou exatamente o resultado oposto. Esse estudo afirma ter identificado uma amostra de galáxias que são o que aquelas galáxias “impossívelmente precoces” se tornaram no universo atual. Como essa amostra é muito mais próxima, conseguimos detectar a luz de estrelas muito mais fracas e de baixa massa, e assim descobrir a função de massa inicial até massas muito menores. O resultado é problemático: esse estudo descobriu que a IMF é, na verdade, inclinada para o fundo, bottom-heavy, nessas galáxias. Há muito mais estrelas de baixa massa, pequenas anãs vermelhas e semelhantes, em comparação com a Via Láctea, e definitivamente muito mais inclinada para o fundo em comparação com o que poderíamos esperar de uma IMF inclinada para o topo.

E, de fato, essa IMF inclinada para o fundo piora o problema. Um excesso de estrelas de baixa massa significa que, quando convertemos a luz da galáxia em massa estelar, subestimamos essa massa estelar e, presumivelmente, subestimamos a massa do halo de matéria escura correspondente. E isso torna ainda mais difícil entender como essas coisas cresceram tão rápido.

Antes de correr para o grupo de conspiracionistas anti-Big Bang, algumas palavras de cautela. Não sabemos de fato se esse novo estudo identificou com sucesso as contrapartes modernas de nossas galáxias impossíveis, e os próprios autores reconhecem isso, chamando-as de “prováveis descendentes”. Também não sabemos quais interações complicadas essas galáxias podem ter tido ao longo dos 13 bilhões de anos intermediários para embaralhar a IMF. Tampouco sabemos se uma IMF inclinada para o fundo descarta uma IMF que também seja inclinada para o topo. Em outras palavras, poderia haver um excesso de estrelas de baixa massa E de alta massa, comparadas às estrelas com massa próxima à do Sol. E é plausível assumir uma IMF assim, que ainda assim reduziria aquelas massas de halo antigas.

Há desafios similares para explicar o aparente avermelhamento dessas galáxias primitivas. O ponto central é que precisamos de uma maneira de interromper a formação estelar muito mais rapidamente do que pensávamos provável. Talvez o candidato mais promissor seja bastante impressionante: quasares primitivos, buracos negros supermassivos no coração dessas galáxias, lançando radiação e ventos que aquecem e expelem o gás de modo que as estrelas param de se formar, permitindo que a população evolua rapidamente. Sabemos que esse tipo de retroalimentação de quasares ocorre, mas agora precisamos entender por que é tão extremo no universo primitivo. Isso envolve um crescimento muito rápido de buracos negros supermassivos: outro problema muito real e muito interessante.

A solução mais provável para tudo isso é que vamos aprender uma quantidade enorme sobre os processos surpreendentes por trás do crescimento das estruturas, da formação estelar, da semeadura e crescimento de buracos negros, e quem sabe o quê mais. E quando chegarmos lá, as galáxias impossívelmente precoces deixarão de ser apenas possíveis para se tornarem inevitáveis: uma parte natural do nosso entendimento atualizado do espaço-tempo primordial.