Quando o Universo surgiu, praticamente não existiam carbono, oxigênio, silício ou os muitos outros elementos que hoje encontramos em estrelas, planetas e até em nossos corpos.
Os primeiros minutos após o Big Bang produziram principalmente hidrogênio e hélio, além de pequenas quantidades de alguns elementos leves.
Os elementos mais pesados tiveram que esperar pelas estrelas.
Agora, observações do Telescópio Espacial James Webb mostram que esse enriquecimento químico não demorou muito para começar.
Astrônomos encontraram gás contendo carbono, oxigênio e silício associado a três galáxias observadas entre aproximadamente 500 e 750 milhões de anos após o Big Bang.
Mais importante: os sinais indicam que parte desse material já estava em movimento em relação às galáxias, consistente com fluxos de gás para fora delas ou com gás fortemente perturbado em seus arredores.
Isso significa que, ainda durante a Época da Reionização, algumas galáxias já haviam produzido elementos pesados e começado a redistribuí-los para seu ambiente.
O estudo, liderado por Yongda Zhu e Zhiyuan Ji, da Universidade do Arizona, foi publicado na revista Nature Astronomy.
O Universo primordial era quimicamente muito diferente daquele que observamos hoje.
A nucleossíntese ocorrida pouco depois do Big Bang produziu principalmente hidrogênio e hélio, além de pequenas quantidades de outros elementos leves.
Carbono, oxigênio, silício, ferro e tantos outros elementos tiveram que ser produzidos posteriormente.
As estrelas transformaram os ingredientes primordiais por meio de processos nucleares em seu interior. Diferentes elementos também são produzidos e redistribuídos em eventos relacionados à evolução e à morte das estrelas.
Com sucessivas gerações estelares, o Universo foi se tornando progressivamente mais enriquecido.
Uma das grandes questões é quão rapidamente esse processo começou.
Modelos já indicavam que a produção e a redistribuição de elementos pesados poderiam ocorrer rapidamente depois do início da formação estelar.
O problema era encontrar evidências observacionais diretas desse processo nas primeiras centenas de milhões de anos do Universo.
Foi aí que entrou o James Webb.
Os pesquisadores utilizaram observações realizadas pelo espectrógrafo NIRSpec do James Webb como parte do programa SPURS.
Eles estudaram três galáxias com desvios para o vermelho entre z = 7,2 e z = 9,3.
Estamos vendo esses sistemas como eram durante os primeiros vários centenas de milhões de anos da história cósmica, antes mesmo do ponto médio da Época da Reionização.
A técnica utilizada é especialmente interessante.
Em vez de observar apenas a luz emitida pelo gás, os pesquisadores utilizaram a própria luz das galáxias para investigar o material localizado diante delas.
Quando essa luz atravessa gás contendo determinados elementos e íons, algumas frequências específicas são absorvidas.
Cada espécie deixa uma espécie de assinatura no espectro.
Foi assim que a equipe encontrou sinais de oxigênio neutro, silício ionizado e carbono ionizado, incluindo O I, Si II, C II, Si IV e C IV.
Isso mostra que o gás não estava apenas enriquecido com elementos mais pesados.
Ele também apresentava diferentes estados de ionização.
Os pesquisadores encontraram outra característica importante.
As linhas de absorção dos elementos não apareciam exatamente na mesma velocidade das galáxias.
Elas apresentavam diferenças de aproximadamente 50 a 250 quilômetros por segundo, predominantemente deslocadas para o azul em relação à velocidade sistêmica das galáxias.
Esse deslocamento para o azul é importante.
Quando material localizado diante de uma galáxia se desloca em nossa direção em relação a ela, sua assinatura espectral aparece em comprimentos de onda ligeiramente menores.
Isso é compatível com gás sendo expelido da galáxia.
Os pesquisadores, entretanto, utilizam uma interpretação um pouco mais cuidadosa.
A combinação das diferentes espécies químicas, das velocidades observadas e da estrutura das linhas é consistente com gás em fluxo para fora ou com gás associado às galáxias que está cinematicamente perturbado.
Portanto, não é possível simplesmente reconstruir a trajetória de cada nuvem e afirmar que todo o material detectado está escapando definitivamente para o espaço intergaláctico.
Mas existe uma conclusão importante: o material enriquecido já estava sendo movimentado ao redor dessas galáxias muito cedo na história do Universo.
Esse movimento faz parte de um processo fundamental para a evolução das galáxias conhecido como ciclo bariônico.
Uma galáxia recebe gás de seu ambiente. Esse material pode alimentar a formação de estrelas. As estrelas processam parte dele e produzem elementos mais pesados. Ventos estelares, explosões de supernovas e outros mecanismos podem posteriormente lançar parte desse material novamente para regiões externas.
Parte do gás pode escapar. Parte pode permanecer ao redor da galáxia. E parte pode voltar posteriormente e participar de novos episódios de formação estelar.
Existe, portanto, uma troca contínua de matéria entre as galáxias e seus arredores.
Esse ciclo é bem estudado em períodos mais recentes da história cósmica.
O que as novas observações mostram é que algumas das condições fundamentais para esse processo já estavam estabelecidas durante as primeiras centenas de milhões de anos do Universo.
O resultado impõe uma exigência importante à história dessas galáxias.
Para existir oxigênio, carbono e silício no gás ao redor delas, estrelas anteriores já precisavam ter produzido esses elementos.
E depois eles precisavam ter sido transportados para fora das regiões onde foram formados.
Tudo isso aconteceu muito rapidamente em termos cósmicos.
As três galáxias observadas existiam durante uma época em que o Universo ainda passava pela Reionização, processo durante o qual a radiação das primeiras fontes luminosas transformou progressivamente grande parte do hidrogênio neutro existente no espaço intergaláctico em plasma ionizado.
Portanto, enquanto o Universo ainda atravessava essa grande transformação, o enriquecimento químico das regiões ao redor de algumas galáxias já estava em andamento.
A descoberta também tem uma relação interessante com um dos grandes objetivos da astronomia moderna: encontrar evidências das estrelas da População III.
Essas estrelas ainda são hipotéticas do ponto de vista observacional direto.
Elas representam a primeira geração estelar, formada a partir de gás praticamente primordial, antes que gerações anteriores de estrelas pudessem enriquecê-lo com elementos mais pesados.
Encontrá-las é extremamente difícil.
E o novo estudo oferece uma possível explicação para parte dessa dificuldade.
Se o enriquecimento químico começou rapidamente e elementos pesados começaram a se espalhar pelos ambientes das primeiras galáxias em poucas centenas de milhões de anos, as condições necessárias para produzir estrelas verdadeiramente primordiais podem ter se tornado raras rapidamente.
Isso não significa que o estudo tenha encontrado estrelas da População III nem determinado quando elas desapareceram.
Mas mostra que o período no qual ambientes completamente livres de elementos pesados eram comuns pode ter sido relativamente curto, pelo menos nas proximidades de algumas galáxias luminosas.
Existe uma limitação importante.
O estudo analisou três sistemas.
Todos são galáxias luminosas, selecionadas porque seus espectros possuíam qualidade suficiente para permitir esse tipo de análise extremamente difícil.
Os próprios pesquisadores, portanto, não afirmam que todas as galáxias existentes naquela época já apresentavam o mesmo comportamento.
A conclusão é mais específica.
As observações demonstram que pelo menos uma parcela das galáxias luminosas do Universo primordial já possuía gás enriquecido e cinematicamente perturbado ao seu redor antes do ponto médio da Reionização.
Saber quão comum era esse processo exigirá uma amostra muito maior.
A detecção só foi possível graças à sensibilidade do NIRSpec.
As observações utilizadas somaram quase 30 horas de exposição, permitindo identificar linhas de absorção extremamente tênues na luz dessas galáxias distantes.
É uma maneira diferente de utilizar o James Webb.
O telescópio não está simplesmente mostrando como eram as primeiras galáxias.
A luz delas funciona como uma fonte de fundo que permite investigar o gás localizado em seus próprios ambientes.
É como colocar uma fonte de luz atrás de algo quase invisível.
O objeto pode não ser visto diretamente, mas deixa sua assinatura ao bloquear determinados comprimentos de onda.
Nesse caso, as assinaturas revelaram que elementos produzidos por estrelas já haviam alcançado o gás ao redor das galáxias.
Carbono, oxigênio e silício são comuns no Universo atual.
Mas houve uma época em que nenhum deles existia.
As novas observações aproximam os astrônomos do momento em que essa transformação começou.
Em menos de 1 bilhão de anos, o Universo passou de um ambiente composto quase inteiramente pelos elementos mais simples para um cosmos no qual estrelas já haviam produzido elementos mais pesados e algumas galáxias já estavam redistribuindo esse material.
O estudo não mostra que todo o espaço intergaláctico já estava enriquecido naquela época.
Também não demonstra que todas as primeiras galáxias expulsavam grandes quantidades desses elementos.
Mas estabelece observacionalmente algo que até agora era difícil de verificar em épocas tão remotas:
o ciclo de produção, movimento e redistribuição de elementos pesados já havia começado muito cedo na história cósmica.
Sobre a Imagem: Visualização artística de uma galáxia primitiva e seu ambiente gasoso circundante. As estruturas em laranja representam gás enriquecido com metais sendo expelido da galáxia, ilustrando como as galáxias jovens começaram a dispersar elementos pesados em seu entorno nos primeiros 500 milhões de anos do universo. A visualização é baseada em dados de simulação cosmológica FIRE-2, disponíveis publicamente, e não é uma imagem direta de telescópio.
Créditos da Imagem: Yongda Zhu.
Artigo Ciêntifico: https://www.nature.com/articles/s41550-026-02988-2