Finalmente sabemos o que trouxe luz ao universo primitivo

Com o auxílio dos telescópios espaciais Hubble e James Webb, os cientistas desvendam o mistério de como o universo primitivo ganhou luz. De acordo com os dados obtidos, as pequenas galáxias anãs foram as responsáveis por iluminar a escuridão inicial, dissipando o nevoeiro de hidrogênio que preenchia o espaço intergaláctico. Este avanço significativo foi detalhado em um artigo publicado em fevereiro de 2024.

 A NASA revelou a imagem infravermelha mais detalhada e profunda já feita do universo longínquo, capturada pelo telescópio James Webb. Batizada de Primeiro Campo Profundo de Webb, a foto do aglomerado SMACS 0723 impressiona pela riqueza de detalhes.

A astrofísica Iryna Chemerynska, do Institut d’Astrophysique de Paris, destaca o papel crucial que estas galáxias ultra-fracas desempenharam na evolução do universo primitivo. Segundo ela, estas galáxias produzem fótons ionizantes que transformam o hidrogênio neutro em plasma ionizado durante a reionização cósmica, sublinhando a importância de compreender como as galáxias de baixa massa moldam a história do universo.

No início do universo, minutos após o Big Bang, o espaço estava preenchido por uma densa e quente névoa de plasma ionizado. A pouca luz existente não conseguia atravessar esta névoa, pois os fótons dispersavam-se ao colidir com os elétrons livres, mantendo o universo na escuridão.

A medida que o universo esfriava, cerca de 300 mil anos após o Big Bang, prótons e elétrons começaram a se combinar para formar gás de hidrogênio neutro, com um pouco de hélio também. Embora a maioria dos comprimentos de onda de luz pudesse penetrar nesse meio neutro, não havia muitas fontes luminosas para produzi-la. Foi a partir desse gás que as primeiras estrelas se formaram.

O despertar das estrelas e a reionização cósmica

As primeiras estrelas emitiram radiação suficientemente forte para separar os elétrons dos núcleos, reionizando o gás. Porém, a expansão do universo havia deixado o gás tão difuso que a luz pôde finalmente atravessá-lo. Cerca de 1 bilhão de anos após o Big Bang, ao fim do período conhecido como a aurora cósmica, o universo estava completamente reionizado, iluminando-se em sua totalidade. 

Apesar da névoa e da grande distância no tempo e no espaço a observação do que havia nesse período sempre foi um desafio. Cientistas acreditavam que as fontes responsáveis pela clareza eram imponentes, como buracos negros gigantes cujo processo de acreção produz luz intensa, além de grandes galáxias em formação estelar, já que estrelas jovens emitem muita luz ultravioleta.

O Telescópio Espacial James Webb foi projetado para investigar esse amanhecer cósmico e descobrir o que espreita nessa era crucial. Surpreendentemente, as observações recentes sugerem que as galáxias anãs, e não as gigantes, são as protagonistas da reionização.

Uma imagem de campo profundo do JWST revela algumas das fontes que os pesquisadores identificaram como responsáveis pela reionização. (Hakim Atek/Sorbonne University/JWST)

A surpreendente relevância das galáxias anãs

Um time internacional liderado pelo astrofísico Hakim Atek, do Institut d’Astrophysique de Paris, utilizou dados do JWST sobre um aglomerado de galáxias chamado Abell 2744, complementados por dados do Hubble. Abell 2744 é tão denso que distorce o espaço-tempo, formando uma lente cósmica que amplifica a luz distante viajando até nós.

Imagem de campo profundo do telescópio espacial James Webb destaca diversas fontes apontadas por cientistas como impulsionadoras do processo de reionização cósmica. (Hakim Atek/Sorbonne University/JWST)

Essa lente natural permitiu aos pesquisadores observar galaxias anãs próximas do amanhecer cósmico. Com o JWST, eles obtiveram espectros detalhados dessas minúsculas galáxias. A análise revelou que essas galáxias anãs são, não apenas o tipo mais abundante no universo primitivo, mas também muito mais brilhantes do que se esperava.

Na verdade, a pesquisa mostra que as galáxias anãs superam em número as grandes galáxias em uma proporção de 100 para 1, e seu conjunto emite uma radiação ionizante quatro vezes maior do que a normalmente atribuída às galáxias maiores. Hakim Atek afirma que essas pequenas potências cósmicas emitem coletivamente energia suficiente para realizar a reionização.

O futuro das investigações cósmicas

Embora a evidência seja a mais convincente até agora sobre a força por trás da reionização, há mais trabalho a ser feito. Os pesquisadores estudaram apenas uma pequena porção do céu e precisam garantir que sua amostra não seja apenas um agrupamento anômalo de galáxias anãs, mas representativa de toda a população na aurora cósmica.

Com esse objetivo, eles pretendem estudar mais regiões do céu utilizando lentes cósmicas para obter uma amostra mais ampla das populações galácticas primitivas. Mesmo com base nesse único exemplo, os resultados são extremamente animadores. Cientistas têm buscado respostas sobre a reionização desde que ela foi descoberta; agora estamos prestes a dissipar definitivamente essa névoa.

O astrofísico Themiya Nanayakkara, da Swinburne University of Technology, na Austrália, afirma que com o JWST, entramos em um território inexplorado. este trabalho abre mais questões emocionantes 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 originalmente publicada em março de 2024.

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