Astrônomos localizam galáxia distante conduzindo reforma cósmica antiga

Uma equipe internacional de astrônomos, financiada em parte pela NASA, encontrou o grupo galáxia mais distante identificado até o momento. Chamado EGS77, o trio de galáxias data de uma época em que o universo tinha apenas 680 milhões de anos, ou menos de 5% da sua idade atual de 13,8 bilhões de anos.

Mais significativamente, as observações mostram que as galáxias são participantes de uma ampla reforma cósmica chamada reionização. A era começou quando a luz das primeiras estrelas mudou a natureza do hidrogênio em todo o universo, de maneira semelhante a um lago congelado derretendo na primavera. Isso transformou o cosmo escuro, que extingue a luz, no que vemos ao nosso redor hoje.

Esta animação mostra o lugar do EGS77 na história cósmica, voa para as galáxias e ilustra como a luz ultravioleta de suas estrelas cria bolhas de hidrogênio ionizado ao seu redor.
Créditos: Goddard Space Flight Center da NASA

“O universo jovem estava cheio de átomos de hidrogênio, que atenuam a luz ultravioleta que bloqueiam nossa visão das galáxias primitivas”, disse James Rhoads, no Centro de Vôo Espacial Goddard da NASA, em Greenbelt, Maryland, que apresentou as descobertas em 5 de janeiro no 235 reunião da Sociedade Astronômica Americana em Honolulu. “EGS77 é o primeiro grupo de galáxias capturado no ato de limpar essa névoa cósmica.”

Enquanto galáxias individuais mais distantes foram observadas, o EGS77 é o grupo de galáxias mais distantes até o momento, mostrando os comprimentos de onda específicos da luz ultravioleta distante revelada pela reionização. Essa emissão, chamada Lyman alpha light, é proeminente em todos os membros do EGS77.

Em sua fase inicial, o universo era um plasma brilhante de partículas, incluindo elétrons, prótons, núcleos atômicos e luz. Os átomos ainda não poderiam existir. O universo estava em um estado ionizado, semelhante ao gás dentro de um sinal de néon aceso ou tubo fluorescente.

Depois que o universo se expandiu e esfriou por cerca de 380.000 anos, elétrons e prótons se combinaram nos primeiros átomos – mais de 90% deles hidrogênio. Centenas de milhões de anos depois, esse gás formou as primeiras estrelas e galáxias. Mas a própria presença desse gás abundante apresenta desafios para detectar galáxias no universo primitivo.

Os átomos de hidrogênio absorvem e reemitem rapidamente a luz ultravioleta distante conhecida como emissão alfa de Lyman, que tem um comprimento de onda de 121,6 nanômetros. Quando as primeiras estrelas se formaram, parte da luz que elas produziram correspondia a esse comprimento de onda. Como a luz alfa de Lyman interagia facilmente com os átomos de hidrogênio, ela não podia viajar muito antes que o gás a dispersasse em direções aleatórias.

Esta visualização mostra como a luz ultravioleta das primeiras estrelas e galáxias transformou gradualmente o universo. Os átomos de hidrogênio, também chamados de hidrogênio neutro, dispersam facilmente a luz UV, impedindo-a de viajar muito longe de suas fontes. Gradualmente, a intensa luz UV das estrelas e galáxias separa os átomos de hidrogênio, criando bolhas crescentes de gás ionizado. À medida que essas bolhas cresciam e se sobrepunham, a névoa cósmica se elevava. Os astrônomos chamam esse processo de reionização. Aqui, as regiões já ionizadas são azuis e translúcidas, as áreas submetidas a ionização são vermelhas e brancas e as regiões de gás neutro são escuras e opacas.
Créditos: M. Alvarez, R. Kaehler e T. Abel (2009)

“A luz intensa das galáxias pode ionizar o gás hidrogênio circundante, formando bolhas que permitem que a luz das estrelas viaje livremente”, disse Vithal Tilvi, pesquisador da Universidade Estadual do Arizona em Tempe. “O EGS77 formou uma grande bolha que permite que sua luz viaje para a Terra sem muita atenuação. Eventualmente, bolhas como essas cresceram em todas as galáxias e preencheram o espaço intergaláctico, reionizando o universo e abrindo caminho para a luz viajar através do cosmos. ”

O EGS77 foi descoberto como parte da pesquisa Cosmic Deep And Wide Narrowband (Cosmic DAWN), para a qual Rhoads atua como investigador principal. A equipe fotografou uma pequena área na constelação de Boötes usando um filtro personalizado no Imager infravermelho de campo extremamente amplo do Observatório Nacional de Astronomia Ótica (NEWFIRM), que foi anexado ao telescópio Mayall de 4 metros no Observatório Nacional Kitt Peak, perto de Tucson, Arizona.

Como o universo está se expandindo, a luz alfa Lyman do EGS77 foi esticada durante suas viagens, então os astrônomos realmente a detectam em comprimentos de onda no infravermelho próximo. Não podemos ver essas galáxias na luz visível agora porque essa luz começou em comprimentos de onda mais curtos que o alfa Lyman e foi espalhada pela névoa de átomos de hidrogênio.

Para ajudar a selecionar candidatos distantes, os pesquisadores compararam suas imagens com dados publicamente disponíveis da mesma região, obtidos pelos telescópios espaciais Hubble e Spitzer da NASA. As galáxias que apareciam brilhantemente em imagens no infravermelho próximo foram marcadas como possibilidades, enquanto as que apareciam na luz visível foram rejeitadas por estarem muito próximas.

A equipe confirmou as distâncias das galáxias do EGS77 usando o espectrômetro de objetos múltiplos para exploração de infra-vermelhos (MOSFIRE) no telescópio Keck I no Observatório W. M. Keck em Maunakea, Havaí. Todas as três galáxias mostram linhas de emissão alfa de Lyman em comprimentos de onda ligeiramente diferentes, refletindo distâncias ligeiramente diferentes. A separação entre galáxias adjacentes é de cerca de 2,3 milhões de anos-luz, ou um pouco mais perto que a distância entre a galáxia de Andrômeda e nossa própria Via Láctea.

Um artigo descrevendo as descobertas, liderado por Tilvi, foi submetido ao The Astrophysical Journal.

“Embora este seja o primeiro grupo de galáxias identificado como responsável pela reionização cósmica, as futuras missões da NASA nos contarão muito mais”, disse a coautora Sangeeta Malhotra da Goddard. “O próximo Telescópio Espacial James Webb é sensível à emissão alfa de Lyman de galáxias ainda mais fracas nessas distâncias e pode encontrar mais galáxias no EGS77.”

Os astrônomos esperam que bolhas de reionização semelhantes desta época sejam raras e difíceis de encontrar. O Telescópio de Pesquisa por Infravermelho de Campo Largo (WFIRST) da NASA pode ser capaz de descobrir exemplos adicionais, iluminando ainda mais essa importante transição na história cósmica.

Imagem da faixa: Este composto de imagens visíveis e infravermelhas próximas do Telescópio Espacial Hubble mostra uma parte da Extended Groth Strip, uma área bem estudada localizada entre as constelações Ursa Major e Boötes. As três galáxias do grupo de galáxias EGS77, mostradas nos círculos verdes, estão em um desvio para o vermelho de 7,7, o que significa que estamos vendo as galáxias como eram quando o universo tinha apenas 680 milhões de anos. A imagem tem 3,2 minutos de arco. Crédito: NASA, ESA e V. Tilvi (ASU)

Publicado em 07/01/2020

Artigo original:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/astronomers-spot-distant-galaxy-group-driving-ancient-cosmic-makeover