Os astrônomos determinam o momento em que todo o gás hidrogênio neutro entre as galáxias produzido pelo Big Bang ficou totalmente ionizado.
Um grupo de astrônomos cronometrou de forma robusta o fim da época de reionização do gás hidrogênio neutro para aproximadamente 1,1 bilhão 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 o Universo estava cheio apenas de gás neutro, sem nenhuma fonte de luz. A nova descoberta encerra um debate que durou duas décadas e segue as assinaturas de radiação de 67 quasares com impressões do gás hidrogênio pelo qual a luz passou antes de atingir a Terra. Identificando o fim desta “aurora cósmica” ajudará a identificar as fontes ionizantes: as primeiras estrelas e galáxias.
Desde a sua criação até o seu estado atual, o Universo passou por diferentes fases. Durante os primeiros 380.000 anos após o Big Bang, era um plasma ionizado quente e denso. Ele esfriou o suficiente após esse período para que os prótons e elétrons que enchiam o Universo se combinassem em átomos de hidrogênio neutros. O Universo não tinha fontes de luz visível na maior parte durante essas “idades das trevas”.
Com o advento das primeiras estrelas e galáxias cerca de 100 milhões de anos depois, esse gás tornou-se gradualmente ionizado pela radiação ultravioleta (UV) das estrelas novamente. Esse processo separa os elétrons dos prótons, deixando-os como partículas livres. Esta era é comumente conhecida como a “alvorada cósmica”. Hoje, todo o hidrogênio espalhado entre as galáxias, conhecido como gás intergaláctico, está totalmente ionizado. No entanto, quando isso ocorreu é um tema muito discutido entre os cientistas e um campo de pesquisa altamente competitivo.
Um final tardio do amanhecer cósmico
Agora, uma equipe internacional de astrônomos liderada por Sarah Bosman do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) em Heidelberg, Alemanha, cronometrou precisamente o fim da época de reionização para 1,1 bilhão de anos após o Big Bang. “Estou fascinado 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 um novo pequeno pedaço para o nosso conhecimento da história cósmica”, diz Sarah Bosman. Ela é a principal autora do artigo de pesquisa que foi publicado recentemente na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Frederick Davies, também astrônomo do MPIA e co-autor do artigo, comenta: “Até alguns anos atrás, a sabedoria predominante era que a reionização havia sido concluída 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 observacionais da geração atual”. Esta correção de tempo pode parecer marginal considerando os bilhões de anos desde o Big Bang. No entanto, mais algumas centenas de milhões de anos foram suficientes para produzir várias dezenas de gerações estelares no início da evolução cósmica. O momento da era do “alarde cósmico” restringe a natureza e o tempo de vida das fontes ionizantes presentes durante as centenas de milhões de anos que durou.
Essa abordagem indireta é atualmente a única maneira de caracterizar os objetos que impulsionaram o processo de reionização. Observar essas primeiras estrelas e galáxias diretamente está além das capacidades dos telescópios contemporâneos. Eles são simplesmente muito fracos para obter dados úteis em um período de tempo razoável. Mesmo instalações de última geração, como o Extremely Large Telescope (ELT) do ESO ou o Telescópio Espacial James Webb, podem ter dificuldades com essa tarefa.
Quasares como sondas cósmicas
Para investigar quando o Universo estava totalmente ionizado, os cientistas aplicam métodos diferentes. Uma delas é medir a emissão de gás hidrogênio neutro na famosa linha espectral de 21 centímetros. Em vez disso, Sarah Bosman e seus colegas analisaram a luz recebida de fortes fontes de fundo. Eles empregaram 67 quasares, os discos brilhantes de gás quente que cercam os buracos negros maciços centrais em galáxias ativas distantes. Olhando para um espectro quasar, que visualiza sua intensidade ao longo dos comprimentos de onda observados, os astrônomos encontram padrões onde a luz parece estar faltando. Isso é o que os cientistas chamam de linhas de absorção. O gás hidrogênio neutro absorve essa porção de luz ao longo de sua jornada desde a fonte até o 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 nanômetros (um nanômetro é um bilionésimo de um metro). Este comprimento de onda pertence à faixa UV e é a linha espectral de hidrogênio mais forte. No entanto, a expansão cósmica muda 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 traduzida na distância da Terra. Neste estudo, o efeito moveu a linha UV para a faixa do infravermelho quando atingiu o telescópio.
Dependendo da fração entre gás hidrogênio neutro e ionizado, o grau de absorção, ou inversamente, a transmissão através de tal nuvem, atinge um valor particular. Quando a luz encontra uma região com uma alta fração de gás ionizado, ela não consegue absorver a radiação UV com tanta eficiência. Esta propriedade é o que a equipe estava procurando.
A luz do quasar passa por muitas nuvens de hidrogênio em diferentes distâncias em seu caminho, cada uma delas deixando sua marca em redshifts menores da faixa UV. Em teoria, a análise da mudança na transmissão por linha desviada para o vermelho deve fornecer o tempo ou a distância em que o gás hidrogênio foi totalmente ionizado
Modelos ajudam a desvendar 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 conecta galáxias e aglomerados de galáxias, chamada de “teia cósmica”. Onde o gás hidrogênio é neutro, também deixa sua marca na luz do quasar.
Para desvendar essas influências, a equipe aplicou um modelo físico que reproduz variações medidas em uma época muito posterior, quando o gás intergaláctico já estava totalmente ionizado. Quando compararam o modelo com seus resultados, descobriram um desvio no comprimento de onda em que a linha de 121,6 nanômetros foi deslocada por um fator de 5,3 vezes correspondendo a uma idade cósmica de 1,1 bilhão de anos. Essa transição indica o momento em que as mudanças na luz do quasar medida se tornam inconsistentes com as flutuações da teia cósmica sozinha. Portanto, esse foi o último período em que o gás hidrogênio neutro deve ter estado presente no espaço intergaláctico e, posteriormente, tornou-se ionizado. Era o fim da “alvorada cósmica”.
O futuro é brilhante
“Este novo conjunto de dados fornece uma referência crucial contra a qual simulações numéricas do primeiro bilhão de anos do Universo serão testadas nos próximos anos”, diz Frederick Davies. Eles ajudarão a caracterizar as fontes ionizantes, as primeiras gerações de estrelas.
“A direção futura mais empolgante para o nosso trabalho é expandi-lo para tempos ainda mais antigos, no meio do processo de reionização”, ressalta Sarah Bosman. “Infelizmente, distâncias maiores significam que esses quasares anteriores são significativamente mais fracos. Portanto, a área de coleta expandida de telescópios de próxima geração, como o ELT, será crucial”.
Publicado em 16/07/2022 13h06
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