Pode ser que, enfim, tenhamos identificado o que acendeu as primeiras luzes do amanhecer cósmico no Universo primordial.
Com base em dados dos telescópios espaciais Hubble e James Webb (JWST), tudo indica que os fótons que vagavam livremente no início do amanhecer cósmico vieram de pequenas galáxias anãs que “ganharam vida” em surtos, dissipando a névoa de hidrogênio opaco que ocupava o espaço entre as galáxias. Um artigo científico com esses resultados foi publicado em fevereiro de 2024.
"Esta descoberta revela o papel crucial desempenhado por galáxias ultratênues na evolução do Universo primitivo", afirmou a astrofísica Iryna Chemerynska, do Institut d'Astrophysique de Paris.
"Elas produzem fótons ionizantes que transformam hidrogênio neutro em plasma ionizado durante a reionização cósmica. Isso destaca a importância de compreender galáxias de baixa massa na construção da história do Universo."
Do plasma primordial ao hidrogênio neutro
No começo do Universo, poucos minutos depois do Big Bang, o espaço era tomado por uma neblina quente e densa de plasma ionizado. A pouca luz existente não conseguiria atravessar esse meio: os fótons acabariam se espalhando ao colidir com elétrons livres, o que, na prática, tornava o Universo escuro.
À medida que o Universo esfriou, cerca de 300.000 anos depois, prótons e elétrons passaram a se combinar, formando gás de hidrogênio neutro (e uma pequena quantidade de hélio).
A maior parte dos comprimentos de onda da luz poderia atravessar esse meio neutro, mas quase não havia fontes luminosas para produzi-la. Ainda assim, foi a partir desse hidrogênio e hélio que nasceram as primeiras estrelas.
A radiação emitida por essas estrelas iniciais era intensa o suficiente para arrancar elétrons de seus núcleos e reionizar o gás. Nessa altura, porém, o Universo já havia se expandido tanto que o gás se tornara difuso - e, assim, não conseguia mais impedir que a luz se propagasse.
Por volta de 1 bilhão de anos após o Big Bang - o fim do período chamado amanhecer cósmico - o Universo estava totalmente reionizado. Pronto: as luzes estavam acesas.
Por que é tão difícil observar o amanhecer cósmico
O problema é que esse período é muito nebuloso e extremamente fraco, além de estar a uma distância enorme no tempo e no espaço. Por isso, tem sido difícil enxergar com clareza o que realmente havia ali.
Durante muito tempo, os cientistas supuseram que os principais responsáveis por “limpar” o hidrogênio teriam de ser objetos muito poderosos - por exemplo, buracos negros gigantes, cuja acreção produz brilho intenso, e grandes galáxias em plena formação estelar (estrelas recém-nascidas emitem muita luz ultravioleta).
Em parte, o JWST foi projetado justamente para espiar o amanhecer cósmico e tentar revelar o que se esconde nesse intervalo decisivo da formação do nosso Universo. E ele tem sido bem-sucedido: as observações vêm trazendo surpresas sobre essa época. De forma inesperada, os dados agora sugerem que as galáxias anãs são a peça-chave da reionização.
O que o JWST e o Hubble viram em Abell 2744
Uma equipe internacional liderada pelo astrofísico Hakim Atek, do Institut d'Astrophysique de Paris, analisou dados do JWST de um aglomerado de galáxias chamado Abell 2744, com apoio de observações do Hubble.
Abell 2744 é tão denso que deforma o espaço-tempo ao seu redor, criando uma lente cósmica: a luz distante que chega até nós atravessando esse espaço-tempo fica ampliada. Com isso, os pesquisadores conseguiram detectar galáxias anãs minúsculas próximas do amanhecer cósmico.
Em seguida, o time usou o JWST para obter espectros detalhados dessas galáxias diminutas. A análise mostrou que, além de serem o tipo de galáxia mais abundante no Universo primitivo, essas galáxias anãs são muito mais brilhantes do que se esperava.
Galáxias anãs ultratênues e a reionização cósmica
Na prática, o estudo indica que as galáxias anãs superam as grandes em uma proporção de 100 para 1 e que, juntas, elas produzem quatro vezes a radiação ionizante normalmente atribuída às galáxias maiores.
"Essas potências cósmicas, em conjunto, emitem mais do que energia suficiente para concluir a tarefa", disse Atek.
"Apesar do tamanho diminuto, essas galáxias de baixa massa são produtoras prolíficas de radiação energética e, como sua abundância nesse período é tão grande, sua influência coletiva pode transformar todo o estado do Universo."
O que ainda falta confirmar
Esse é, até agora, o melhor indício sobre o motor por trás da reionização - mas ainda há trabalho a fazer. A equipe examinou apenas uma pequena região do céu; agora é preciso verificar se a amostra não representa apenas um aglomerado atípico de galáxias anãs, e sim um retrato fiel de toda a população existente no amanhecer cósmico.
A intenção é investigar mais regiões do céu com lenteamento gravitacional para reunir uma amostra mais ampla de populações galácticas iniciais. Ainda assim, mesmo com um único conjunto de dados, os resultados são empolgantes. A reionização vem sendo um enigma perseguido desde que se sabe da sua existência - e parece que estamos muito perto de dissipar essa névoa.
"Agora entramos em território inexplorado com o JWST", afirmou o astrofísico Themiya Nanayakkara, da Universidade de Tecnologia de Swinburne, na Austrália.
"Este trabalho abre questões ainda mais empolgantes que precisamos responder em nossos esforços para mapear a história evolutiva de nossas origens."
A pesquisa foi publicada na revista Nature.
Uma versão deste artigo foi publicada originalmente em março de 2024.
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