O fim do "amanhecer cósmico"

Um grupo de astrónomos liderado por Sarah Bosman do Instituto Max Planck para Astronomia cronometrou robustamente o fim da época da reionização do gás hidrogénio neutro para cerca de 1,1 mil milhões de anos após o Big Bang. A reionização começou quando a primeira geração de estrelas se formou após a "idade das trevas" cósmica, um longo período em que só o gás neutro preenchia o Universo sem quaisquer fontes de luz.

Representação esquemática da história cósmica proporcionada pela luz brilhante de quasares distantes. A observação com um telescópio (inferior esquerdo) permite-nos obter informações sobre a chamada época da reionização ("bolhas" em cima à direita) que se seguiu à fase do Big Bang (em cima à direita).Crédito: Instituto Carnegie para Ciência/Instituto Max Planck para Astronomia (anotações)

O novo resultado resolve um debate que durou duas décadas e baseia-se nas assinaturas de radiação de 67 quasares com impressões do gás hidrogénio por onde a luz passou antes de chegar à Terra. A determinação do fim deste "amanhecer cósmico" vai ajudar a identificar as fontes ionizantes: as primeiras estrelas e galáxias. O Universo passou por diferentes fases desde o seu início até ao seu estado atual. Durante os primeiros 380.000 anos após o Big Bang, era um plasma ionizado quente e denso. 

Após este período, arrefeceu o suficiente para que os protões e eletrões que preenchiam o Universo se pudessem combinar em átomos de hidrogénio neutros. Durante a maior parte desta "idade das trevas", o Universo não tinha fontes de luz visível.

Com o advento das primeiras estrelas e galáxias, cerca de 100 milhões de anos mais tarde, esse gás tornou-se gradualmente ionizado pela radiação UV (ultravioleta) das estrelas novamente. Este processo separa os eletrões dos protões, deixando-os como partículas livres. Esta era é geralmente conhecida como "amanhecer cósmico". Hoje em dia, todo o hidrogénio espalhado entre galáxias, o gás intergaláctico, está totalmente ionizado. Contudo, quando isso aconteceu é um tema muito discutido entre os cientistas e um campo de investigação altamente competitivo.

Um fim tardio do amanhecer cósmico

Uma equipa internacional de astrónomos liderada por Sarah Bosman do Instituto Max Planck para Astronomia em Heidelberg, Alemanha, determinou agora com precisão o fim da época da reionização para 1,1 mil milhões de anos após o Big Bang. "Estou fascinada com a ideia das diferentes fases pelas quais o Universo passou, levando à formação do Sol e da Terra. É um grande privilégio contribuir com uma nova pequena peça para o nosso conhecimento da história cósmica," diz Sarah Bosman. Ela é a principal autora do artigo científico publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Frederick Davies, também astrónomo do mesmo instituto e coautor do artigo, comenta: "Até há poucos anos, a sabedoria predominante era que a reionização tinha terminado quase 200 milhões de anos antes. Aqui temos agora a evidência mais forte de que o processo terminou muito mais tarde, durante uma época cósmica mais facilmente observável pelas instalações de observação da geração atual". Esta correção temporal pode parecer marginal, considerando os milhares de milhões de anos desde o Big Bang. No entanto, mais algumas centenas de milhões de anos foram suficientes para produzir várias dúzias de gerações estelares na evolução cósmica inicial. A determinação da era do "amanhecer cósmico" condiciona a natureza e a vida das fontes ionizantes presentes durante as centenas de milhões anos que durou.

Esta abordagem indireta é atualmente a única forma de caracterizar os objetos que levaram ao processo de reionização. A observação direta destas primeiras estrelas e galáxias está para além das capacidades dos telescópios contemporâneos. São simplesmente demasiado ténues para obter dados úteis dentro um período de tempo razoável. Mesmo instalações de próxima geração como o ELT (Extremely Large Telescope) do ESO ou o Telescópio Espacial James Webb podem ter dificuldades com tal tarefa.

Quasares como sondas cósmicas

Para investigar quando o Universo ficou totalmente ionizado, os cientistas aplicam métodos diferentes. Um deles é medir a emissão de gás hidrogénio neutro na famosa linha espectral de 21 centímetros. Ao invés, Sarah Bosman e colegas analisaram a luz recebida de fortes fontes de fundo. Utilizaram 67 quasares, os discos brilhantes de gás quente que rodeiam os buracos negros massivos centrais em galáxias ativas distantes.

Ao olhar para o espectro de um quasar, que visualiza a sua intensidade disposta ao longo dos comprimentos de onda observados, os astrónomos encontram padrões onde parece faltar luz. É a isto que os cientistas chamam linhas de absorção. O gás hidrogénio neutro absorve esta porção de luz ao longo da sua viagem desde a fonte até ao telescópio. Os espectros desses 67 quasares são de uma qualidade sem precedentes, o que foi crucial para o sucesso deste estudo.

O método envolve olhar para uma linha espectral equivalente a um comprimento de onda de 121,6 nanómetros (1 nanómetro equivale a 1x10^-9 metros). Este comprimento de onda pertence à gama UV e é a linha espectral de hidrogénio mais forte. No entanto, a expansão cósmica desvia o espectro do quasar para comprimentos de onda mais longos quanto mais longe a luz viaja. Portanto, o desvio para o vermelho da linha de absorção UV observada pode ser traduzido para a distância da Terra. Neste estudo, o efeito deslocou a linha UV para o infravermelho à medida que alcançava o telescópio.

Dependendo da fração entre o gás de hidrogénio neutro e o gás de hidrogénio ionizado, o grau de absorção, ou inversamente, a transmissão através de uma tal nuvem, atinge um valor particular. Quando a luz encontra uma região com uma fração elevada de gás ionizado, não pode absorver a radiação UV de forma eficiente. Esta propriedade é o que a equipa estava à procura.

A luz do quasar passa por muitas nuvens de hidrogénio a diferentes distâncias ao longo do seu trajeto, cada uma delas deixando a sua marca em pequenos desvios para o vermelho da gama UV. Em teoria, a análise da mudança na transmissão por cada linha desviada para o vermelho deveria produzir o tempo ou distância em que o gás hidrogénio ficou totalmente ionizado.

Os modelos ajudam a desembaraçar as influências concorrentes

Infelizmente, as circunstâncias são ainda mais complicadas. Desde o fim da reionização, apenas o espaço intergaláctico está totalmente ionizado. Existe uma rede de matéria parcialmente neutra que liga as galáxias e enxames de galáxias, chamada "teia cósmica". Onde o gás hidrogénio é neutro, deixa também a sua marca na luz do quasar.

Para desembaraçar estas influências, a equipa aplicou um modelo físico que reproduz variações medidas numa época muito posterior, quando o gás intergaláctico já estava totalmente ionizado. Quando compararam o modelo com os seus resultados, descobriram um desvio num comprimento de onda em que a linha dos 121,6 nanómetros foi deslocada por um factor de 5,3 vezes correspondente a uma idade cósmica de 1,1 mil milhões de anos.

Esta transição indica o tempo em que as mudanças na luz medida do quasar se tornam inconsistentes com as flutuações apenas da teia cósmica. Portanto, esse foi o período mais recente em que o gás hidrogénio neutro deve ter estado presente no espaço intergaláctico e, subsequentemente, se tornou ionizado. Era o fim do "amanhecer cósmico".

O futuro é promissor

"Este novo conjunto de dados fornece uma referência crucial contra a qual as simulações numéricas dos primeiros mil milhões de anos do Universo serão testadas nos próximos anos," diz Frederick Davies. Elas vão ajudar a caracterizar as fontes ionizantes, as primeiras gerações de estrelas.

"A direção futura mais excitante para o nosso trabalho é expandi-lo para tempos ainda anteriores, em direção ao ponto médio do processo de reionização," salienta Sarah Bosman. "Infelizmente, distâncias maiores significam que aqueles primeiros quasares são significativamente mais fracos. Por conseguinte, a área de recolha alargada de telescópios da próxima geração, como o ELT, será crucial."

Fonte: Astronomia OnLine