(Centro de Vôo Espacial Goddard da NASA)
Cerca de 370.000 anos após o Big Bang, o Universo passou por um período que os cosmólogos chamam de "Idade das Trevas Cósmica". Durante esse período, o Universo foi obscurecido por um gás neutro penetrante que obscureceu toda a luz visível, tornando-o invisível para os astrônomos. À medida que as primeiras estrelas e galáxias se formaram ao longo das próximas centenas de milhões de anos, a radiação que emitiram ionizou esse plasma, tornando o Universo transparente.
Um dos maiores mistérios cosmológicos atualmente é quando a "reionização cósmica" começou. Para descobrir, os astrônomos têm estudado mais profundamente o cosmos (e mais para trás no tempo) para identificar as primeiras galáxias visíveis. Graças a novas pesquisas de uma equipe de astrônomos da University College London (UCL), foi observada uma galáxia luminosa que estava reionizando o meio intergalático há 13 bilhões de anos.
A pesquisa foi apresentada na semana passada (2 de julho) durante a reunião anual da Sociedade Astronômica Europeia (EAS) - por causa da pandemia, a reunião deste ano foi virtual. Durante o curso de sua apresentação, Romain Meyer (um estudante de doutorado da UCL e principal autor do estudo) e seus colegas compartilharam suas descobertas, que é a primeira evidência sólida de uma galáxia reionizando uma bolha de gás por seus próprios 13 bilhões de anos atrás.
O Universo Observável, conforme representado pelo que nossos telescópios podem ver.
Crédito: NASA
A equipe responsável por essa descoberta foi liderada por Romain Meyer , Ph.D. aluno do Grupo de Astrofísica da UCL. Ele se juntou aos pesquisadores da UCL, Dr. Nicolas Laporte , e ao Prof. Richard S Ellis , bem como ao Prof. Anne Verhamme e ao Dr. Thibault Garel, da Universidade de Genebra. Suas descobertas também são objeto de um artigo que foi submetido recentemente ao The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Estudar galáxias que existiram durante esse período inicial no Universo é essencial para entender as origens do cosmos, bem como sua evolução subseqüente. De acordo com nossos modelos cosmológicos atuais, as primeiras galáxias se formaram a partir de aglomerados estelares coalescentes, que se formaram quando as primeiras estrelas do Universo se uniram.
Com o passar do tempo, essas galáxias explodiram a radiação que separava o gás neutro no meio intergalático (IGM) de seus elétrons (também conhecido como processo de ionização). Os astrônomos sabem disso porque temos evidências claras disso, na forma da Idade das Trevas Cósmica e na maneira como o Universo é transparente hoje. Mas as questões-chave de como e quando tudo isso ocorreu permanecem desconhecidas. Como o Dr. Meyer disse ao Universe Today por e-mail:
“Olhando para galáxias distantes, olhamos para o Universo primitivo, pois a luz viajava bilhões de anos antes de chegar até nós. Isso é fantástico, pois podemos ver como eram as galáxias bilhões de anos atrás, mas isso traz várias desvantagens. ”
A galáxia A370p_z1 na imagem do Hubble e um zoom em cada filtro.
Crédito: NASA, ESA, Z. Levay (STSci)
Para iniciantes, explicou Meyer, objetos distantes são muito fracos e só podem ser observados usando os mais poderosos telescópios terrestres e espaciais. A essa distância, há também a questão complicada do desvio para o vermelho, onde a expansão do cosmos faz com que a luz de galáxias distantes tenha seu comprimento de onda esticado em direção ao extremo vermelho do espectro.
No caso de galáxias com vários bilhões de anos, a luz foi deslocada a ponto de ser visível apenas no infravermelho (particularmente a luz UV que Meyer e seus colegas estavam procurando). Para dar uma boa olhada em A370p_z1, uma galáxia luminosa a 13 bilhões de anos-luz de distância, a equipe consultou Usando dados do programa Hubble Frontier Fields - que os astrônomos ainda estão analisando.
Os dados do Hubble sugeriram que esta galáxia estava muito deslocada para o vermelho, indicando que era particularmente antiga. Eles então fizeram observações de acompanhamento com o Very Large Telescope (VLT) para entender melhor os espectros desta galáxia. Em particular, eles procuraram a linha brilhante emitida pelo hidrogênio ionizado, conhecida como linha Lyman-alfa. Disse Meyer:
“A grande surpresa foi descobrir que essa linha, detectada em 9480 Angstroms, era uma linha dupla. Isso é extremamente raro de se encontrar nas galáxias primitivas, e essa é apenas a quarta galáxia que sabemos ter uma linha Lyman-alfa dupla nos primeiros bilhões de anos. O bom de linhas duplas de Lyman-alfa é que você pode usá-las para inferir uma quantidade muito importante de galáxias primitivas: qual fração de fótons energéticos eles vazam para o meio intergaláctico ”.
Impressão artística que ilustra a técnica da tomografia de Lyman-alfa.
Crédito: Khee-Gan Lee (MPIA) e Casey Stark (UC Berkeley)
Outra grande surpresa foi o fato de que o A370p_z1 parecia estar deixando 60% a 100% de seus fótons ionizados no espaço intergalático, e provavelmente foi responsável por ionizar a bolha IGM ao seu redor. As galáxias mais próximas da Via Láctea geralmente possuem frações de escape de cerca de 5% (50% em alguns casos raros), mas as observações do IGM indicam que as galáxias primitivas devem ter uma fração de escape de 10 a 20%, em média.
Essa descoberta foi extremamente importante porque poderia ajudar a resolver um debate em andamento nos círculos cosmológicos. Até agora, as questões de quando e como ocorreu a reionização produziram dois cenários possíveis. Em uma delas, havia uma população de inúmeras galáxias fracas vazando cerca de 10% de seus fótons energéticos. No outro, era uma "oligarquia" de galáxias luminosas com uma porcentagem muito maior (50% ou mais) de fótons que escapavam.
Em ambos os casos, as evidências até agora sugeriram que as primeiras galáxias eram muito diferentes das de hoje. "Descobrir uma galáxia com quase 100% de escape foi muito bom, porque confirma o que os astrofísicos suspeitavam: as galáxias primitivas eram muito diferentes dos objetos de hoje em dia e vazavam fótons energéticos com muito mais eficiência", disse Meyer.
Estudar galáxias da era da reionização para linhas Lyman-alfa sempre foi difícil, devido à maneira como elas são cercadas por gás neutro que absorve essa emissão de hidrogênio. No entanto, agora temos fortes evidências de que a reionização foi concluída 800 milhões de anos após o Big Bang e que era provável que algumas galáxias luminosas fossem responsáveis.
Se o que Meyer e seus colegas observaram é típico das galáxias da era da reionização, podemos assumir que a reionização foi causada por um pequeno grupo de galáxias que criaram grandes bolhas de gás ionizado em torno delas que cresceram e se sobrepuseram. Como Meyer explicou, essa descoberta poderia apontar o caminho para a criação de um novo modelo cosmológico que predisse com precisão como e quando ocorreram grandes mudanças no início do Universo:
Essa descoberta confirma que as galáxias primitivas poderiam ser extremamente eficientes no vazamento de fótons ionizantes, o que é uma hipótese importante de nossa compreensão da “reionização cósmica” - a época em que o meio intergalático, há 13 bilhões de anos, passou de neutro para ionizado (por exemplo, elétrons eram arrancados átomos de hidrogênio por esses fótons energéticos).
De acordo com Meyer, mais objetos como A370p_z1 precisam ser encontrados para que os astrônomos possam estabelecer as frações médias de escape das galáxias primitivas. Enquanto isso, o próximo passo será determinar por que essas galáxias primitivas eram tão eficientes no vazamento de fótons energéticos. Vários cenários foram sugeridos, e uma melhor visualização do Universo primitivo permitirá que os astrônomos os testem.
Como Meyer tinha certeza de observar, muito disso dependerá de telescópios da próxima geração que serão levados ao espaço muito em breve. O mais notável deles é o Telescópio Espacial James Webb (JWST), que (após vários atrasos) ainda está programado para ser lançado no próximo ano. Aqui está outro significado para estudos como esses, que é como eles ajudarão a equipe de James Webb a decidir quais mistérios cosmológicos investigar.
A linha do tempo do Big Bang do Universo. Os neutrinos cósmicos afetam o CMB no momento em que foi emitido, e a física cuida do resto de sua evolução até hoje.
Crédito: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (GSFC).
"Com o Telescópio Espacial James Webb, acompanharemos esse alvo mais profundamente no infravermelho para obter acesso ao que foi emitido originalmente na luz óptica", disse Meyer. “Isso nos dará mais informações sobre os mecanismos físicos em jogo nas primeiras galáxias. A missão do JWST é limitada no tempo, e é por isso que descobrir esses objetos extremos agora é tão importante: sabendo quais objetos são peculiares ou extremos nos primeiros bilhões de anos do nosso Universo, saberemos o que olhar quando o JWST for finalmente lançado! ”
Tempos emocionantes estão à frente de astrônomos, astrofísicos, caçadores de exoplanetas, pesquisadores do SETI e cosmólogos. É difícil saber quem deveria estar mais animado, mas algo me diz que seria como perguntar aos pais qual dos filhos eles mais amam. Inevitavelmente, a resposta é sempre "todos eles!"
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