Durante muito tempo, a grande pergunta sobre o Universo primitivo foi simples de formular e difícil de responder: o que foi, afinal, que “acendeu” a aurora cósmica?
Agora, dados dos telescópios espaciais Hubble e James Webb (JWST) apontam para uma resposta surpreendentemente modesta: pequenas galáxias anãs que ganharam vida cedo e ajudaram a dissipar a névoa de hidrogénio que preenchia o espaço intergaláctico. Um artigo sobre esta investigação foi publicado em fevereiro de 2024.
"This discovery unveils the crucial role played by ultra-faint galaxies in the early Universe's evolution," said astrophysicist Iryna Chemerynska of the Institut d'Astrophysique de Paris.
"They produce ionizing photons that transform neutral hydrogen into ionized plasma during cosmic reionization. It highlights the importance of understanding low-mass galaxies in shaping the Universe's history."
Veja o vídeo abaixo para um resumo:
No início do Universo, minutos após o Big Bang, o espaço estava cheio de uma névoa quente e densa de plasma ionizado. A pouca luz que existia não conseguiria atravessar essa névoa; os fotões acabariam por se dispersar nos eletrões livres que flutuavam por todo o lado, deixando o Universo, na prática, às escuras.
À medida que o Universo arrefeceu, cerca de 300.000 anos depois, protões e eletrões começaram a unir-se e a formar gás de hidrogénio neutro (e uma pequena quantidade de hélio).
A maioria dos comprimentos de onda de luz conseguia atravessar este meio neutro, mas havia muito poucas fontes luminosas capazes de a produzir. Ainda assim, a partir desse hidrogénio e hélio nasceram as primeiras estrelas.
Essas primeiras estrelas emitiram radiação suficientemente intensa para arrancar eletrões aos seus núcleos e reionizar o gás. Nessa altura, porém, o Universo já se tinha expandido tanto que o gás estava difuso e deixou de conseguir bloquear a passagem da luz.
Por volta de 1 mil milhão de anos após o Big Bang - o fim do período conhecido como aurora cósmica - o Universo estava completamente reionizado. E pronto: as luzes ficaram acesas.
Mas, como há tanta “neblina” na aurora cósmica e porque esse período é ténue e está extremamente distante no tempo e no espaço, tem sido difícil ver com clareza o que lá existe.
Durante algum tempo, os cientistas pensaram que as fontes responsáveis por limpar a maior parte dessa névoa teriam de ser muito poderosas - por exemplo, enormes buracos negros cuja acreção produz luz intensa, e grandes galáxias em plena formação estelar (estrelas bebés geram muita luz UV).
O JWST foi concebido, em parte, para espreitar a aurora cósmica e tentar perceber o que se esconde por lá. Tem tido um sucesso enorme, revelando várias surpresas sobre este período crucial na formação do nosso Universo. E, de forma inesperada, as observações do telescópio sugerem agora que as galáxias anãs podem ser as protagonistas da reionização.
Uma equipa internacional liderada pelo astrofísico Hakim Atek, do Institut d'Astrophysique de Paris, recorreu a dados do JWST sobre um enxame de galáxias chamado Abell 2744, complementados por dados do Hubble.
O Abell 2744 é tão denso que deforma o espaço-tempo à sua volta, criando uma lente cósmica; qualquer luz distante que viaje até nós através desse espaço-tempo fica ampliada. Isto permitiu aos investigadores observar pequenas galáxias anãs perto do período da aurora cósmica.
Depois, usaram o JWST para obter espectros detalhados dessas galáxias minúsculas. A análise revelou que, além de serem o tipo de galáxia mais abundante no Universo primitivo, estas galáxias anãs também são muito mais brilhantes do que se esperava.
Na verdade, o estudo da equipa mostra que as galáxias anãs superam as galáxias grandes numa proporção de 100 para 1, e que o seu contributo coletivo corresponde a quatro vezes a radiação ionizante normalmente atribuída às galáxias maiores.
"These cosmic powerhouses collectively emit more than enough energy to get the job done," Atek said.
"Despite their tiny size, these low-mass galaxies are prolific producers of energetic radiation, and their abundance during this period is so substantial that their collective influence can transform the entire state of the Universe."
É a evidência mais forte até agora sobre o motor da reionização, mas ainda há trabalho pela frente. Os investigadores analisaram apenas uma pequena região do céu; precisam de garantir que a amostra não corresponde apenas a um enxame invulgarmente rico em galáxias anãs, e que representa de facto a população típica na aurora cósmica.
A intenção é estudar mais regiões do céu com efeito de lente cósmica, para obter uma amostra mais ampla das populações galácticas iniciais. Mesmo com este único conjunto de dados, os resultados são incrivelmente entusiasmantes. Os cientistas procuram respostas sobre a reionização desde que sabemos que ela existiu. Estamos muito perto de, finalmente, varrer a névoa.
"We have now entered uncharted territory with the JWST," said astrophysicist Themiya Nanayakkara of Swinburne University of Technology in Australia.
"This work opens up more exciting questions that we need to answer in our efforts to chart the evolutionary history of our beginnings."
A investigação foi publicada na Nature.
Uma versão anterior deste artigo foi originalmente publicada em março de 2024.
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