O alvorecer cósmico: JWST e Hubble apontam galáxias anãs como chave da reionização

O que pode ter acendido o alvorecer cósmico

Talvez, enfim, tenhamos uma pista sólida sobre o que foi a primeira “luz” a despontar no alvorecer cósmico, no Universo primitivo.

Com base em dados dos Telescópios Espaciais Hubble e James Webb (JWST), as responsáveis pelos fótons livres que passaram a viajar pelo espaço no início do alvorecer cósmico parecem ter sido pequenas galáxias anãs que “entraram em atividade”, varrendo a névoa de hidrogênio turvo que preenchia o espaço intergaláctico. Um artigo científico sobre o estudo foi publicado em fevereiro de 2024.

"Esta descoberta revela o papel crucial desempenhado por galáxias ultratênues na evolução do Universo primitivo", afirmou a astrofísica Iryna Chemerynska, do Institut d'Astrophysique de Paris.

"Elas produzem fótons ionizantes que transformam hidrogênio neutro em plasma ionizado durante a reionização cósmica. Isso destaca a importância de entender galáxias de baixa massa na construção da história do Universo."

Assista ao vídeo abaixo para um resumo:

Como a reionização cósmica transformou o Universo

No começo do Universo, poucos minutos após o Big Bang, o espaço estava tomado por uma névoa quente e densa de plasma ionizado. A pouca luz disponível não conseguiria atravessar esse nevoeiro: os fótons apenas se espalhariam ao colidir com elétrons livres, fazendo com que o Universo, na prática, permanecesse escuro.

Com o resfriamento do Universo, cerca de 300.000 anos depois, prótons e elétrons começaram a se unir, formando gás de hidrogênio neutro (e uma pequena quantidade de hélio).

A maior parte dos comprimentos de onda da luz conseguia atravessar esse meio neutro, mas quase não existiam fontes luminosas capazes de produzi-la. Ainda assim, foi desse hidrogênio e hélio que surgiram as primeiras estrelas.

A radiação dessas estrelas iniciais era intensa o suficiente para arrancar elétrons de seus núcleos e reionizar o gás. Nesse estágio, porém, o Universo já havia se expandido tanto que o gás se tornou difuso e não conseguia mais impedir que a luz se espalhasse.

Por volta de 1 bilhão de anos após o Big Bang - encerrando o período conhecido como alvorecer cósmico - o Universo estava totalmente reionizado. Pronto: as “luzes” haviam se acendido.

Por que era tão difícil ver através da “névoa” do alvorecer cósmico

O problema é que o alvorecer cósmico é extremamente nebuloso e, além disso, muito apagado e distante no tempo e no espaço, o que tem dificultado observar o que realmente existia ali.

Por muito tempo, cientistas imaginaram que os principais agentes dessa “limpeza” precisariam ser fontes poderosas - por exemplo, buracos negros enormes cujo processo de acreção gera luz ofuscante, e grandes galáxias em pleno surto de formação estelar (estrelas recém-nascidas emitem muita luz ultravioleta).

O JWST foi concebido, em parte, para espiar o alvorecer cósmico e tentar identificar o que se escondia nessa fase. E o telescópio tem sido bem-sucedido, trazendo uma série de surpresas sobre esse momento decisivo na construção do nosso Universo. De forma inesperada, as observações agora indicam que galáxias anãs podem ser as protagonistas da reionização.

O que o JWST e o Hubble encontraram em Abell 2744

Uma equipe internacional liderada pelo astrofísico Hakim Atek, do Institut d'Astrophysique de Paris, analisou dados do JWST sobre um aglomerado de galáxias chamado Abell 2744, com suporte de observações do Hubble.

Abell 2744 é tão massivo e concentrado que distorce o espaço-tempo ao seu redor, criando uma lente cósmica: a luz distante que viaja até nós por essa região do espaço-tempo acaba ampliada. Isso permitiu aos pesquisadores detectar galáxias anãs minúsculas próximas ao alvorecer cósmico.

Em seguida, o grupo usou o JWST para obter espectros detalhados dessas galáxias diminutas. A análise mostrou que, além de serem o tipo de galáxia mais comum no Universo primitivo, essas galáxias anãs também são muito mais brilhantes do que se esperava.

Na prática, o estudo indica que galáxias anãs superam as galáxias grandes na proporção de 100 para 1, e que, somadas, elas produzem quatro vezes a radiação ionizante normalmente atribuída às galáxias maiores.

"Essas potências cósmicas, juntas, emitem mais do que energia suficiente para cumprir a tarefa", disse Atek.

"Apesar do tamanho reduzido, essas galáxias de baixa massa são produtoras prolíficas de radiação energética, e sua abundância nesse período é tão expressiva que sua influência coletiva pode transformar todo o estado do Universo."

O que ainda falta confirmar

Este é o conjunto de evidências mais convincente até agora sobre a força por trás da reionização, mas ainda há trabalho pela frente. A equipe analisou apenas uma pequena região do céu; por isso, precisa confirmar que a amostra não representa apenas um agrupamento anômalo de galáxias anãs, e sim um retrato fiel de toda a população existente no alvorecer cósmico.

A intenção é investigar mais regiões do céu com lentes cósmicas para reunir uma amostragem mais ampla das populações galácticas primitivas. Mesmo com apenas este recorte, os resultados são empolgantes. Há décadas os cientistas perseguem respostas sobre a reionização, desde que ela foi reconhecida como um marco; agora, parece que estamos prestes a dissipar a névoa de vez.

"Agora entramos em território desconhecido com o JWST", afirmou o astrofísico Themiya Nanayakkara, da Universidade de Tecnologia Swinburne, na Austrália.

"Este trabalho abre perguntas ainda mais empolgantes que precisamos responder em nossos esforços para mapear a história evolutiva do nosso começo."

A pesquisa foi publicada na Nature.

Uma versão anterior deste artigo foi publicada originalmente em março de 2024.