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Galáxias distantes lançam luzes sobre Era da Reionização

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/10/2011

Este mosaico é uma representação da população de galáxias que os astrônomos observaram agora, existindo menos de 1 bilhão de anos depois do Big Bang, durante a Era da Reionização.
[Imagem: ESO/M.Kornmesser]

Era da reionização

Astrônomos podem ter lançado as primeiras luzes sobre a Era da Reionização.

Esta breve, porém dramática, fase da história cósmica ocorreu há cerca de 13 bilhões de anos - dos 150 até os 800 milhões de anos depois do Big Bang.

Os cientistas utilizaram o VLT (Very Large Telescope) do ESO (Observatório Europeu do Sul) para sondar o Universo primordial, observando galáxias extremamente antigas, mas de diferentes idades, que existiam à medida que o Universo ia se tornando transparente à radiação ultravioleta.

Ao estudar detalhadamente as galáxias mais distantes já encontradas, a equipe conseguiu determinar pela primeira vez a linha cronológica da reionização.

Eles também demonstraram que esta fase deve ter ocorrido mais depressa do que os astrônomos pensavam anteriormente.

Máquina do tempo

Na verdade, os astrônomos utilizaram o VLT como se ele fosse uma máquina do tempo, observando várias das galáxias mais distantes já detectadas, como elas eram no Universo primordial.

A equipe conseguiu medir as distâncias de forma precisa e descobriu que estamos vendo estas galáxias tal como elas eram entre 780 milhões e 1 bilhão de anos depois do Big Bang.

Isto permitiu estabelecer pela primeira vez uma linha cronológica para a Era da Reionização. Durante esta fase, o nevoeiro de hidrogênio gasoso espalhado pelo Big Bang estava se sumindo, permitindo que a radiação ultravioleta atravessasse o Universo pela primeira vez sem qualquer impedimento.

"Os arqueólogos conseguem reconstruir uma linha cronológica do passado a partir dos artefatos que encontram em diferentes camadas no solo. Os astrônomos podem fazer melhor: podem olhar diretamente para o passado distante e observar a radiação tênue de diferentes galáxias em diferentes estados da evolução cósmica," explica Adriano Fontana, do Observatório Astronômico de Roma, INAF, que liderou este projeto.

"As diferenças entre as galáxias nos dão informações sobre as condições do Universo em plena transformação durante este importante período de tempo, e sobre a rapidez com que estas mudanças ocorriam," completa.

Linhas de emissão

Os diferentes elementos químicos brilham de modo mais intenso em determinadas cores. Estes picos de brilho são as chamadas linhas de emissão.

Uma das mais intensas linhas de emissão no ultravioleta é a linha de Lyman-alfa, emitida pelo hidrogênio.

Ela é brilhante e facilmente reconhecível, de modo que pode ser facilmente detectada mesmo em observações de galáxias muito tênues e distantes.

Ao encontrar a linha de Lyman-alfa em cinco galáxias longínquas a equipe conseguiu descobrir dois fatos muito importantes.

Primeiro, ao observar o quanto a linha estava deslocada para o vermelho no espectro, a equipe pôde determinar a distância das galáxias e, consequentemente, quão próximo depois do Big Bang elas estavam sendo agora observadas.

Isto permitiu que eles colocassem as galáxias por ordem, criando assim uma linha cronológica que mostra como é que a luz das galáxias evoluiu no tempo.

Segundo, eles conseguiram determinar até que ponto a emissão de Lyman-alfa - vinda do hidrogênio brilhante que se encontra no interior das galáxias - é reabsorvida pelo nevoeiro de hidrogênio neutro no espaço intergaláctico em diferentes momentos no tempo.

"Observamos uma enorme diferença na quantidade de radiação ultravioleta que é reabsorvida entre as mais antigas e as mais recentes galáxias da nossa amostra," diz a autora principal do artigo científico Laura Pentericci, do Observatório Astronômico de Roma.

"Quando o Universo tinha apenas 780 milhões de anos o hidrogênio neutro era muito abundante, enchendo cerca de 10 a 50% de todo o volume do Universo. Mas, apenas 200 milhões de anos mais tarde, a quantidade de hidrogênio neutro já tinha diminuído para um nível muito baixo, semelhante ao que observamos hoje. Acreditamos por isso que a reionização se deve ter ocorrido muito mais rapidamente do que se pensava antes," completou.

Fonte da radiação ultravioleta

Além de sondar a taxa à qual o nevoeiro primordial desapareceu, as observações da equipe sugerem também a fonte provável de radiação ultravioleta, que forneceu a energia necessária à ocorrência da reionização.

Existem várias teorias competidoras sobre a origem desta radiação - duas das principais referem a primeira geração de estrelas no Universo, e a intensa radiação emitida pela matéria que cai em buracos negros.

"A análise detalhada da radiação tênue emitida pelas duas galáxias mais distantes que encontramos sugere que a primeira geração de estrelas pode ter contribuído para a energia liberada que observamos," diz Eros Vanzella, membro da equipe de investigação. "Seriam estrelas muito jovens e de grande massa, cerca de cinco mil vezes mais jovens e com cem vezes mais massa do que o Sol. Estas estrelas teriam sido capazes de dissipar o nevoeiro primordial, tornando-o transparente."

Mas serão necessárias medições muito mais precisas para confirmar ou excluir esta hipótese, mostrando definitivamente que as estrelas poderia produzir esta energia. Para isso serão necessárias observações feitas a partir do espaço, ou então do European Extremely Large Telescope planejado pelo ESO, que será o maior telescópio do mundo, quando estiver operacional no início da próxima década.

Preste atenção e você verá um ponto vermelho bem no centro desta imagem. Esta é a NTTDF-474, a galáxia mais distante já observada até hoje e cuja distância foi medida com boa precisão.
[Imagem: ESO/ L. Pentericci]

Galáxias mais distantes

A galáxia mais distante que se conhece, com uma distância calculada por espectroscopia, possui um desvio para o vermelho, z, de 8,6, o que a coloca a 600 milhões de anos depois do Big Bang.

Há uma galáxia que se acredita ter um desvio para o vermelho de cerca de 10 (480 milhões de anos depois do Big Bang) identificada pelo Telescópio Espacial Hubble, mas espera-se ainda confirmação deste resultado.

A galáxia mais distante do estudo aqui apresentado tem um desvio para o vermelho de 7.1, encontrando-se por isso a 780 milhões de anos depois do Big Bang.

A nova amostra de cinco galáxias com detecções de Lyman-alfa confirmadas (de entre cerca de 20 candidatas) inclui metade de todas as galáxias conhecidas com z > 7.

O Universo tem hoje 13,7 bilhões de anos de idade.

O que é Era da Reionização

Quando as primeiras estrelas e galáxias se formaram, o Universo encontrava-se cheio de hidrogênio gasoso eletricamente neutro, elemento que absorve radiação ultravioleta.

À medida que a radiação ultravioleta emitida por estas galáxias primordiais excitava o gás, tornando-o eletricamente carregado (ionizado), o Universo ia ficando cada vez mais transparente à radiação ultravioleta.

Este processo é tecnicamente conhecido por reionização, já que se pensa que, durante um breve período de tempo, situado em algum momento entre os primeiros 100 mil anos depois do Big Bang, o hidrogênio encontrar-se-ia também ionizado.

A equipe mediu os efeitos do nevoeiro de hidrogênio através de espectroscopia, uma técnica que envolve separar a radiação emitida pela galáxia na sua radiação colorida constituinte, tal como um prisma separa a luz solar em um arco-íris.

O que é desvio para o vermelho

Como o Universo se encontra em expansão, o comprimento de onda dos corpos celestes é esticado à medida que viaja pelo espaço.

Quanto mais longe a luz viajar, mais o comprimento de onda é esticado.

Como o vermelho é o maior comprimento de onda visível aos nossos olhos, a característica cor vermelha que este efeito provoca nos objetos extremamente distantes tornou-se conhecida como desvio para o vermelho.

Embora seja tecnicamente uma medida de como a cor da radiação de um objeto é afetada, é também uma medida tanto da distância ao objeto como quanto tempo depois do Big Bang o estamos observando.

A equipe utilizou o VLT para estudar o espectro de 20 galáxias com desvios para o vermelho próximos de 7.

Classificação das estrelas

Os astrônomos classificam as estrelas em três classes distintas, conhecidas como População I, População II e População III.

As estrelas de População I, como o nosso Sol, são ricas em elementos pesados sintetizados no coração de estrelas mais velhas e em explosões de supernovas. Como se formam a partir dos restos de gerações de estrelas anteriores, estas estrelas apenas são observadas em uma fase mais tardia do Universo.

As estrelas de População II têm menos elementos pesados e são predominantemente constituídas por hidrogênio, hélio e lítio, criados durante o Big Bang. São estrelas mais velhas, embora existam ainda muitas no Universo atual.

As estrelas de População III nunca foram observadas diretamente, mas acredita-se que teriam existido no Universo primordial. Como conteriam apenas matéria criada durante o Big Bang, estas estrelas não possuiriam nenhum elemento pesado.

Devido ao papel dos elementos pesados na formação das estrelas, apenas estrelas muito grandes, com tempos de vida muito curtos, conseguiriam se formar nesta fase e, por isso, todas as estrelas de População III teriam morrido rapidamente sob a forma de supernovas, ainda nos anos iniciais do Universo.

Na realidade, nunca se confirmou a existência destas estrelas de População III, mesmo em observações de galáxias muito longínquas.