As galáxias anãs poderão ter acendido a aurora cósmica no Universo primitivo

Há muito que os astrónomos procuram perceber o que, afinal, “ligou a luz” durante a aurora cósmica. Dados reunidos pelo Telescópio Espacial Hubble e pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST) apontam agora para uma explicação convincente: pequenas galáxias anãs, muito pouco luminosas e difíceis de detetar, terão sido as principais responsáveis por libertar fotões livres capazes de dissipar o nevoeiro de hidrogénio neutro que preenchia o espaço entre galáxias. O estudo que descreve estes resultados foi publicado em fevereiro de 2024.

“Esta descoberta revela o papel decisivo desempenhado pelas galáxias ultra-tenues na evolução do Universo primordial”, afirmou a astrofísica Iryna Chemerynska, do Institut d’Astrophysique de Paris. “Elas produzem fotões ionizantes que transformam o hidrogénio neutro em plasma ionizado durante a reionização cósmica. Isto sublinha a importância de compreendermos as galáxias de baixa massa na construção da história do Universo.”

Veja o vídeo abaixo para um resumo.

Da névoa inicial ao hidrogénio neutro: o cenário antes da aurora cósmica

Nos primeiros instantes do Universo - poucos minutos após o Big Bang - o espaço era dominado por uma névoa quente e extremamente densa de plasma ionizado. A pouca luz existente não conseguia atravessá-la: os fotões colidiam e dispersavam-se nos eletrões livres, deixando o Universo, na prática, às escuras.

Com o arrefecimento gradual, cerca de 300 000 anos depois, protões e eletrões começaram a combinar-se, formando sobretudo gás de hidrogénio neutro (e uma pequena fração de hélio). Este meio neutro já permitia a passagem da maioria dos comprimentos de onda - mas faltavam fontes luminosas em quantidade para o iluminar.

Foi precisamente a partir desse hidrogénio e hélio que nasceram as primeiras estrelas.

Reionização cósmica: quando os fotões ionizantes voltaram a transformar o gás

As primeiras estrelas emitiram radiação suficientemente energética para arrancar eletrões aos átomos, reionizando o gás. Nessa altura, porém, o Universo já se tinha expandido ao ponto de o material estar muito mais difuso, deixando de conseguir bloquear a luz: a radiação passou a propagar-se com muito maior liberdade.

Por volta de 1 mil milhões de anos após o Big Bang - perto do final do período a que chamamos aurora cósmica - o Universo encontrava-se totalmente reionizado. Em termos simples: a “luz” ficou, enfim, acesa.

Um ponto importante é que esta transição não é apenas um detalhe histórico. A reionização altera a forma como o gás arrefece e colapsa para formar novas estrelas, influenciando a evolução das galáxias e a própria estrutura em grande escala do cosmos. Por isso, identificar quem forneceu os fotões ionizantes é uma peça central para reconstruir a nossa origem cósmica.

Porque foi tão difícil ver através da aurora cósmica

Apesar de sabermos que a reionização aconteceu, observar diretamente os seus protagonistas tem sido complicado: a aurora cósmica é distante, ténue e “turva”. Durante muito tempo, muitos cientistas consideraram que a limpeza do meio intergaláctico teria de ser dominada por fontes extremamente potentes - por exemplo, buracos negros massivos cuja acreção gera brilho intenso, ou grandes galáxias em fase de formação ativa de estrelas (estrelas jovens emitem muita radiação ultravioleta).

O JWST foi concebido, em parte, para espreitar esse período remoto. E tem cumprido: ao sondar mais fundo do que nunca, trouxe surpresas sobre esta etapa crucial. Uma das mais marcantes é a possibilidade de que as galáxias anãs - e não os “gigantes” - tenham sido as peças-chave da reionização.

Galáxias anãs e a aurora cósmica: o que o JWST viu em Abell 2744

Uma equipa internacional liderada pelo astrofísico Hakim Atek, também do Institut d’Astrophysique de Paris, analisou observações do JWST de um enxame de galáxias chamado Abell 2744, complementadas com dados do Hubble.

O Abell 2744 é tão massivo e compacto que deforma o espaço-tempo em redor, atuando como uma lente cósmica: a luz de objetos muito mais distantes, ao atravessar essa região, é ampliada. Esse efeito permitiu observar galáxias anãs minúsculas numa época muito próxima da aurora cósmica.

De seguida, a equipa recorreu ao JWST para obter espectros detalhados dessas galáxias. A análise indicou duas conclusões essenciais: estas galáxias anãs não só eram o tipo de galáxia mais comum no Universo primitivo, como também eram muito mais brilhantes do que se esperava para a sua dimensão.

Resultados em números: 100 para 1 e quatro vezes mais radiação ionizante

De acordo com o estudo, as galáxias anãs superavam as grandes galáxias numa proporção de 100 para 1. Ainda mais relevante: em conjunto, a sua produção corresponde a quatro vezes a radiação ionizante que normalmente se atribui às galáxias maiores.

“Em conjunto, estas potências cósmicas emitem energia mais do que suficiente para cumprir a tarefa”, afirmou Atek. “Apesar do seu tamanho reduzido, estas galáxias de baixa massa são produtoras extraordinariamente eficazes de radiação energética e, sendo tão abundantes neste período, o seu impacto coletivo consegue alterar o estado do Universo por completo.”

Um aspeto que estes resultados também levantam - e que ganha força com a nova capacidade observacional do JWST - é o papel da chamada “fração de escape”: mesmo que uma galáxia produza muitos fotões ionizantes, é necessário que uma parte significativa consiga sair da própria galáxia e atingir o meio intergaláctico. Galáxias pequenas, com estruturas menos massivas, podem facilitar esse escape, tornando-as candidatas ainda mais plausíveis para impulsionar a reionização.

O que falta confirmar e o que vem a seguir

Apesar de ser, até agora, a evidência mais forte sobre o motor da reionização cósmica, o trabalho não fica concluído aqui. A equipa analisou apenas uma região limitada do céu; por isso, é necessário verificar se o conjunto observado não é um caso fora do comum - um enxame particularmente rico em galáxias anãs - e se representa, de facto, a população típica da aurora cósmica.

O plano passa por observar mais regiões com lentes cósmicas, alargando a amostra de populações galácticas primitivas. Ainda assim, mesmo com esta primeira janela, o entusiasmo é evidente: a reionização tem sido uma das grandes perguntas desde que se compreendeu que ela ocorreu, e os resultados sugerem que estamos muito perto de dissipar a “névoa” de vez.

“Entrámos agora em território desconhecido com o JWST”, declarou o astrofísico Themiya Nanayakkara, da Swinburne University of Technology, na Austrália. “Este trabalho abre portas a novas perguntas entusiasmantes que temos de responder, enquanto tentamos cartografar a história evolutiva dos nossos primórdios.”

A investigação foi publicada na revista Nature.

Uma versão anterior deste artigo foi originalmente publicada em março de 2024.