Uma série de observações na beira do universo reinicia um debate sobre o que levantou a névoa cósmica primordial.
Não muito depois do Big Bang, tudo ficou escuro. O gás de hidrogênio que permeava o universo precoce teria apagado a luz das primeiras estrelas e galáxias do universo. Por centenas de milhões de anos, até mesmo um valor de estrelas de galáxia – ou balizas incontáveis, como aquelas criadas por buracos negros supermassivos – teriam sido tornados todos, mas invisíveis.
Eventualmente, este nevoeiro queimou como luz ultravioleta de alta energia quebrou os átomos separados em um processo chamado de reionização. Mas as questões de exatamente como isso aconteceu – quais objetos celestes alimentavam o processo e quantos deles eram necessários – consumiram astrônomos por décadas.
Agora, em uma série de estudos, os pesquisadores olharam mais adiante para o início do universo do que nunca. Eles usaram galáxias e matéria escura como uma lente cósmica gigante para ver algumas das primeiras galáxias conhecidas, iluminando como essas galáxias poderiam ter dissipado o nevoeiro cósmico. Além disso, uma equipe internacional de astrônomos encontrou dezenas de buracos negros supermassivos – cada um com a massa de milhões de sóis – iluminando o universo inicial. Outra equipe encontrou evidências de que os buracos negros supermassivos existiam centenas de milhões de anos antes que alguém pensasse possível. As novas descobertas devem deixar claras quanto os buracos negros contribuíram para a reionização do universo, mesmo quando abriram perguntas sobre como esses buracos negros supermassivos foram capazes de se formar tão cedo na história do universo.
Primeira luz
Nos primeiros anos após o Big Bang, o universo estava muito quente para permitir que os átomos se formassem. Protons e elétrons voaram, espalhando qualquer luz. Então, depois de cerca de 380.000 anos, esses prótons e elétrons esfriaram o suficiente para formar átomos de hidrogênio, que se uniram em estrelas e galáxias nas próximas centenas de milhões de anos.
A luz das estrelas dessas galáxias teria sido brilhante e enérgica, com muitos deles caindo na parte ultravioleta do espectro. Como esta luz voou para o universo, correu em mais gás de hidrogênio. Esses fótons de luz se separariam do gás de hidrogênio, contribuindo para a reionização, mas como o fizeram, o gás apagou a luz.
Para encontrar essas estrelas, os astrônomos têm que procurar a parte não ultravioleta de sua luz e extrapolar de lá. Mas esta luz não ultravioleta é relativamente fraca e difícil de ver sem ajuda.
Uma equipe liderada por Rachael Livermore, um astrofísico da Universidade do Texas em Austin, encontrou apenas a ajuda necessária na forma de uma lente cósmica gigante. Essas chamadas lentes gravitacionais se formam quando um cluster de galáxia, preenchido com maciça matéria escura, dobra o espaço-tempo para se concentrar e ampliar qualquer objeto do outro lado dele. Livermore usou essa técnica com imagens do telescópio espacial Hubble para identificar as galáxias extremamente fracas de até 600 milhões de anos após o big bang – bem no espesso da reionização.
Em um artigo recente que apareceu no jornal astrofísico, Livermore e colegas também calcularam que, se você adicionar galáxias como estas às galáxias anteriormente conhecidas, então as estrelas devem ser capazes de gerar luz ultravioleta intensa suficiente para reincidir com o universo.
No entanto, há uma captura. Os astrônomos que fazem este trabalho têm que estimar quanto a luz ultravioleta de uma estrela escapou de sua galáxia de casa (que é cheia de gás de hidrogênio bloqueador de luz) para ir para o universo mais amplo e contribuir para a reivindicação escrita grande. Essa estimativa – chamada de fração de fuga – cria uma enorme incerteza que Livermore é rápida em reconhecer.
Além disso, nem todos acreditam nos resultados de Livermore. Rychard Bouwens, um astrofísico da Universidade de Leiden na Holanda, argumenta em um artigo submetido ao jornal astrofísico que Livermore não subtrai adequadamente a luz dos clusters da galáxia que compõem a lente gravitacional. Como resultado, ele disse, as galáxias distantes não são tão fracas quanto Livermore e colegas afirmam, e os astrônomos não encontraram galáxias suficientes para concluir que as estrelas ionizavam o universo.
Supremacia de buracos negros supermassivos
Se estrelas não pudessem fazer o trabalho, talvez os buracos negros supermassivos pudessem. Beastly em tamanho, até um bilhão de vezes a massa do sol, buracos negros supermassivos devoram matéria. Eles o puxão para eles e a aquecem, um processo que emite muita luz e cria objetos luminosos que chamamos Quasars. Como os Quasars emitem a radiação mais ionizante do que as estrelas, elas poderiam na teoria reionar o universo.
O truque é encontrar quasares suficientes para fazê-lo. Em um artigo postado no site de pré-impressão científica Arxiv.org no mês passado, astrônomos que trabalham com o Telescópio Subaru anunciou a descoberta de 33 quasares que são cerca de 10 tantas brilhantes como as identificadas antes. Com quasares tão fracas, os astrônomos devem ser capazes de calcular quanta luz ultravioleta esses buracos negros supermassivos emitem, disse Michael Strauss, um astrofísico da Universidade de Princeton e membro da equipe. Os pesquisadores ainda não fizeram a análise, mas esperam publicar os resultados nos próximos meses.
O mais antigo desses quasares remonta a cerca de um bilhão de anos depois do Big Bang, que parece sobre quanto tempo levaria buracos negros comuns para devorar o suficiente para aumentar o status supermassivo.
É por isso que outra descoberta recente é tão intrigante. Uma equipe de pesquisadores liderou por Richard Ellis, um astrônomo no Observatório Europeu do Sul, observou uma brilhante galáxia formadora de estrelas vista como era apenas de 600 milhões de anos após o Big Bang. O espectro da galáxia – um catálogo de luz por comprimento de onda – parecia conter uma assinatura de nitrogênio ionizado. É difícil ionizar o hidrogênio comum e ainda mais difícil de ionizar nitrogênio. Requer mais luz ultravioleta de energia mais alta do que as estrelas emitem. Então, outra forte fonte de radiação ionizante, possivelmente um buraco negro supermassivo, tinha que existir neste momento, disse Ellis.
Um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia de formação precoce pode ser um outlier. Isso não significa que houvesse o suficiente para realizar o universo. Então Ellis começou a olhar para outras galáxias iniciais. Sua equipe agora tem provas provisórias de que buracos negros supermassivos se sentaram nos centros de outras galáxias massivas e formadoras de estrelas no início do universo. Estudar esses objetos poderia ajudar a esclarecer o que reivindia o universo e iluminar como os buracos negros supermassivos se formaram. “Essa é uma possibilidade muito emocionante”, disse Ellis.
Todo esse trabalho está começando a convergir em uma explicação relativamente simples para o que reivindia o universo. A primeira população de estrelas jovens e quentes provavelmente começou o processo, depois levou-a para a frente para centenas de milhões de anos. Com o tempo, essas estrelas morreram; As estrelas que os substituíram não eram tão brilhantes e quentes. Mas por este ponto na história cósmica, buracos negros supermassivos tiveram tempo suficiente para crescer e começar a assumir. Pesquisadores como Steve Finkelstein, um astrofísico da Universidade do Texas, na Austin, estão usando os últimos dados observacionais e simulações da atividade galáctica antecipada para testar os detalhes deste cenário, como quanto estrelas e buracos negros contribuem para o processo em tempos diferentes.
Seu trabalho – e todo o trabalho envolvendo o primeiro bilhão de anos do Universo – obterá um impulso nos próximos anos após o lançamento de 2018 do telescópio espacial James Webb, o sucessor do Hubble, que foi explicitamente projetado para encontrar os primeiros objetos no universo. Suas descobertas provavelmente provocarão muitas outras perguntas também.
Atualização: A equipe Subaru anunciou recentemente a descoberta de 33 quasares no início do universo, não 32 como o artigo originalmente declarado.
Publicado em 05/07/2021 08h22
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