O amanhecer cósmico ocorreu 250 a 350 milhões de anos após o Big Bang

Still de um vídeo mostrando a formação e evolução das primeiras estrelas e galáxias em um universo virtual semelhante ao nosso. Crédito: Dr. Harley Katz, Beecroft Fellow, Departamento de Física, University of Oxford

O amanhecer cósmico, quando as estrelas se formaram pela primeira vez, ocorreu 250 milhões a 350 milhões de anos após o início do universo, de acordo com um novo estudo liderado por pesquisadores da University College London (UCL) e da Universidade de Cambridge.

O estudo, publicado nos Avisos Mensais da Royal Astronomical Society, sugere que o Telescópio Espacial James Webb da NASA (JWST), com lançamento previsto para novembro, será sensível o suficiente para observar o nascimento de galáxias diretamente.

A equipe de pesquisa liderada pelo Reino Unido examinou seis das galáxias mais distantes conhecidas atualmente, cuja luz levou a maior parte da vida do universo para chegar até nós. Eles descobriram que a distância dessas galáxias da Terra correspondia a um tempo de “olhar para trás” de mais de 13 bilhões de anos atrás, quando o universo tinha apenas 550 milhões de anos.

Analisando imagens dos telescópios espaciais Hubble e Spitzer, os pesquisadores calcularam a idade dessas galáxias entre 200 e 300 milhões de anos, permitindo uma estimativa de quando suas estrelas se formaram pela primeira vez.

O autor principal, Dr. Nicolas Laporte (Universidade de Cambridge), que iniciou o projeto enquanto estava na UCL, disse: “Os teóricos especulam que o universo era um lugar escuro nas primeiras centenas de milhões de anos, antes das primeiras estrelas e galáxias se formarem.

“Testemunhar o momento em que o universo foi banhado pela luz das estrelas é uma das principais missões da astronomia.

O vídeo mostra a formação e evolução das primeiras estrelas e galáxias em um universo virtual semelhante ao nosso. A simulação começa um pouco antes do amanhecer cósmico, quando o universo está desprovido de luz estelar, e vai até a época de 550 milhões de anos após o Big Bang, quando as seis galáxias analisadas pelo Dr. Laporte e seus colegas estão sendo observadas. A idade do universo em milhões de anos é mostrada no canto superior esquerdo. A inserção se concentra na evolução de uma galáxia semelhante àquelas no recente estudo observacional. As regiões roxas exibem a distribuição filamentar do gás, composta principalmente de hidrogênio. As regiões brancas representam a luz das estrelas e as regiões amarelas representam a radiação energética das estrelas mais massivas, que é capaz de ionizar o gás hidrogênio circundante. À medida que estrelas massivas atingem rapidamente o fim de sua vida, elas irrompem em violentas explosões de supernovas que expelem o gás circundante, permitindo o escape dessa radiação energética. Galáxias como a mostrada continuamente agregam material de sistemas menores próximos e rapidamente se reúnem para formar as galáxias mais substanciais observadas pelo Telescópio Espacial Hubble em tempos posteriores. Crédito: Dr. Harley Katz, Beecroft Fellow, Departamento de Física, University of Oxford

“Nossas observações indicam que o amanhecer cósmico ocorreu entre 250 e 350 milhões de anos após o início do universo e, no momento de sua formação, galáxias como as que estudamos teriam sido suficientemente luminosas para serem vistas com o Espaço James Webb Telescópio.”

Os pesquisadores analisaram a luz das estrelas das galáxias, conforme registrado pelos telescópios espaciais Hubble e Spitzer, examinando um marcador em sua distribuição de energia indicativo da presença de hidrogênio atômico em suas atmosferas estelares. Isso fornece uma estimativa da idade das estrelas que eles contêm.

Esta assinatura de hidrogênio aumenta em força à medida que a população estelar envelhece, mas diminui quando a galáxia tem mais de um bilhão de anos. A dependência da idade surge porque as estrelas mais massivas que contribuem para este sinal queimam seu combustível nuclear mais rapidamente e, portanto, morrem primeiro.

O coautor Dr. Romain Meyer (UCL Physics & Astronomy e Max Planck Institute for Astronomy em Heidelberg, Alemanha) disse: “Este indicador de idade é usado para datar estrelas em nossa própria vizinhança na Via Láctea, mas também pode ser usado para datam galáxias extremamente remotas, vistas em um período muito inicial do universo.

“Usando este indicador, podemos inferir que, mesmo nesses primeiros tempos, nossas galáxias têm entre 200 e 300 milhões de anos.”

Ao analisar os dados do Hubble e do Spitzer, os pesquisadores precisaram estimar o “desvio para o vermelho” de cada galáxia, o que indica sua distância cosmológica e, portanto, o tempo retrospectivo em que estão sendo observados. Para conseguir isso, eles realizaram medições espectroscópicas usando todo o arsenal de poderosos telescópios terrestres – o Atacama Large Millimeter Array (ALMA) chileno, o European Very Large Telescope, os telescópios gêmeos Keck no Havaí e o telescópio Gemini-South.

Imagem colorida do aglomerado de galáxias usada para detectar uma das seis galáxias, MACS0416-JD, examinada em um estudo conduzido por pesquisadores da University College London e da University of Cambridge. Esta galáxia tem uma idade estimada de 351 milhões de anos, o que significa que esta galáxia foi formada 178 milhões de anos após o Big Bang. A massa estelar desta galáxia é um bilhão de vezes a massa do Sol. Este objeto é atualmente a galáxia mais distante detectada pelo ALMA. Crédito: ESA / Hubble, NASA, HST Frontier Fields

Essas medições permitiram à equipe confirmar que olhar para essas galáxias correspondia a olhar para uma época em que o universo tinha 550 milhões de anos.

O co-autor, Professor Richard Ellis (UCL Physics & Astronomy), que rastreou galáxias cada vez mais distantes ao longo de sua carreira, disse: “Na última década, os astrônomos empurraram para trás as fronteiras do que podemos observar a uma época em que o universo era apenas 4% de sua idade atual. No entanto, devido à transparência limitada da atmosfera da Terra e às capacidades dos telescópios espaciais Hubble e Spitzer, chegamos ao nosso limite.

“Agora, aguardamos ansiosamente o lançamento do Telescópio Espacial James Webb, que acreditamos ter a capacidade de testemunhar diretamente o amanhecer cósmico.

“A busca para ver este momento importante na história do universo tem sido um santo graal na astronomia por décadas. Como somos feitos de material processado em estrelas, isso é, em certo sentido, a busca por nossas próprias origens.”

O novo estudo envolveu astrônomos da Universidade da Califórnia-Santa Cruz, da Universidade da Califórnia e da Universidade do Texas.

O telescópio espacial James Webb, liderado pela NASA, o sucessor do observatório Hubble, está programado para ser lançado ao espaço em novembro. Será o principal observatório na próxima década, servindo milhares de astrônomos em todo o mundo. Consiste em um observatório infravermelho, um imenso espelho de 6,5 metros de largura e uma proteção solar em forma de diamante. Cientistas da UCL no Laboratório de Ciência Espacial Mullard construíram e testaram componentes de hardware chave para o NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), um dos quatro instrumentos do telescópio.

Publicado em 28/06/2021 10h59

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