Não muito depois do Big Bang, tudo escureceu. O gás hidrogênio que permeou o universo primitivo teria apagado a luz das primeiras estrelas e galáxias do universo. Por centenas de milhões de anos, mesmo as estrelas de uma galáxia – ou faróis impensavelmente brilhantes, como os criados por buracos negros supermassivos – teriam se tornado quase invisíveis.
Eventualmente, essa névoa se dissipou quando a luz ultravioleta de alta energia quebrou os átomos em um processo chamado reionização. Mas a questão de como exatamente isso aconteceu – quais objetos celestes acionaram o processo e quantos deles foram necessários – consumiu astrônomos por décadas.
Agora, em uma série de estudos, os pesquisadores examinaram mais profundamente o universo primitivo do que nunca. Eles usaram galáxias e matéria escura como lentes cósmicas gigantes para ver algumas das primeiras galáxias conhecidas, iluminando como essas galáxias poderiam ter dissipado a névoa cósmica. 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 primitivo. Outra equipe encontrou evidências de que buracos negros supermassivos existiam centenas de milhões de anos antes que alguém pensasse ser possível. As novas descobertas devem deixar claro o quanto os buracos negros contribuíram para a reionização do universo, mesmo que tenham aberto questões 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 quente demais para permitir a formação de átomos. Prótons e elétrons voaram, espalhando qualquer luz. Então, depois de cerca de 380.000 anos, esses prótons e elétrons se resfriaram o suficiente para formar átomos de hidrogênio, que se aglutinaram em estrelas e galáxias nas próximas centenas de milhões de anos.
A luz das estrelas dessas galáxias teria sido brilhante e energética, com grande parte dela caindo na parte ultravioleta do espectro. Conforme essa luz voou para o universo, ela gerou mais gás hidrogênio. Esses fótons de luz separariam o gás hidrogênio, contribuindo para a reionização, mas, ao fazê-lo, o gás extinguiu a luz.
Para encontrar essas estrelas, os astrônomos precisam procurar a parte não ultravioleta de sua luz e extrapolar a partir daí. Mas essa luz não ultravioleta é relativamente fraca e difícil de ver sem ajuda.
Uma equipe liderada por Rachael Livermore, astrofísica da Universidade do Texas em Austin, encontrou a ajuda necessária na forma de uma lente cósmica gigante. Essas chamadas lentes gravitacionais se formam quando um aglomerado de galáxias, cheio de matéria escura massiva, dobra o espaço-tempo para focar e ampliar qualquer objeto do outro lado dele. Livermore usou essa técnica com imagens do Telescópio Espacial Hubble para localizar galáxias extremamente tênues desde 600 milhões de anos após o Big Bang – bem no meio da reionização.
Em um artigo recente publicado no The Astrophysical Journal, Livermore e colegas também calcularam que, se você adicionar galáxias como essas às galáxias conhecidas anteriormente, as estrelas seriam capazes de gerar luz ultravioleta intensa o suficiente para reionizar o universo.
No entanto, há um problema. Os astrônomos que fazem este trabalho têm que estimar quanto da luz ultravioleta de uma estrela escapou de sua galáxia (que está cheia de gás hidrogênio bloqueador de luz) para ir para o universo mais amplo e contribuir para a reionização em grande escala. Essa estimativa – chamada de fração de escape – cria uma enorme incerteza que Livermore é rápido em reconhecer.
ESO / L. Calçada
Além disso, nem todo mundo acredita nos resultados de Livermore. Rychard Bouwens, um astrofísico da Universidade de Leiden, na Holanda, argumenta em um artigo enviado ao The Astrophysical Journal que Livermore não subtraiu adequadamente a luz dos aglomerados de galáxias que compõem as lentes gravitacionais. Como resultado, disse ele, as galáxias distantes não são tão fracas como Livermore e seus colegas afirmam, e os astrônomos não encontraram galáxias suficientes para concluir que as estrelas ionizaram o universo.
Supremacia dos buracos negros supermassivos
Se as estrelas não conseguiram realizar o trabalho, talvez os buracos negros supermassivos conseguissem. De tamanho bestial, até um bilhão de vezes a massa do Sol, os buracos negros supermassivos devoram matéria. Eles o puxam em sua direção e o aquecem, um processo que emite muita luz e cria objetos luminosos que chamamos de quasares. Como os quasares emitem muito mais radiação ionizante do que as estrelas, eles poderiam, em teoria, reionizar o universo.
O truque é encontrar quasares suficientes para fazer isso. Em um artigo publicado no site de pré-impressão científica arxiv.org no mês passado, astrônomos trabalhando com o Telescópio Subaru anunciaram a descoberta de 33 quasares que são cerca de um décimo mais brilhantes do que os identificados antes. Com quasares tão fracos, os astrônomos deveriam ser capazes de calcular quanta luz ultravioleta esses buracos negros supermassivos emitem, disse Michael Strauss, astrofísico da Universidade de Princeton e membro da equipe. Os pesquisadores ainda não fizeram a análise, mas esperam publicar os resultados nos próximos meses.
Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ)
O mais antigo desses quasares remonta a cerca de um bilhão de anos após o Big Bang, o que parece ser o tempo que os buracos negros comuns levariam para devorar matéria suficiente para atingir o status supermassivo.
É por isso que outra descoberta recente é tão intrigante. Uma equipe de pesquisadores liderada por Richard Ellis, um astrônomo do Observatório Europeu do Sul, estava observando uma galáxia brilhante em formação de estrelas vista como estava apenas 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 hidrogênio comum e ainda mais difícil ionizar nitrogênio. Requer mais luz ultravioleta de alta energia do que as estrelas emitem. Portanto, outra fonte forte de radiação ionizante, possivelmente um buraco negro supermassivo, deveria existir nesta época, disse Ellis.
Um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia de formação estelar precoce pode ser um outlier. Isso não significa que havia o suficiente deles para reionizar o universo. Então Ellis começou a olhar para outras galáxias primitivas. Sua equipe agora tem evidências provisórias de que buracos negros supermassivos ficavam no centro de outras galáxias formadoras de estrelas massivas no início do universo. O estudo desses objetos pode ajudar a esclarecer o que reionizou o universo e iluminar como buracos negros supermassivos se formaram. ?Essa é uma possibilidade muito emocionante?, disse Ellis.
Todo esse trabalho está começando a convergir para uma explicação relativamente direta do que reionizou o universo. A primeira população de estrelas jovens e quentes provavelmente iniciou o processo e, em seguida, o levou adiante por centenas de milhões de anos. Com o tempo, essas estrelas morreram; as estrelas que os substituíram não eram tão brilhantes e quentes. Mas, neste ponto da história cósmica, os buracos negros supermassivos tiveram tempo suficiente para crescer e podem começar a assumir o controle. Pesquisadores como Steve Finkelstein, astrofísico da Universidade do Texas em Austin, estão usando os mais recentes dados de observação e simulações da atividade galáctica inicial para testar os detalhes desse cenário, como a quantidade de estrelas e buracos negros que contribuem para o processo em tempos diferentes.
Seu trabalho – e todo trabalho envolvendo o primeiro bilhão de anos do universo – receberá um impulso nos próximos anos após o lançamento em 2018 do Telescópio Espacial James Webb, o sucessor do Hubble, que foi explicitamente projetado para encontrar os primeiros objetos no universo. Suas descobertas provavelmente também provocarão muito mais perguntas.
Publicado em 16/01/2021 01h23
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