Galáxias anãs podem ter acendido o amanhecer cósmico, indicam JWST e Hubble

Podemos estar, enfim, mais perto de saber o que acendeu as primeiras luzes no amanhecer cósmico do Universo primordial.

Com base em dados dos telescópios espaciais Hubble e James Webb (JWST), os fótons livres que passaram a circular nessa fase inicial parecem ter vindo de pequenas galáxias anãs que “entraram em erupção” de atividade, dissipando o nevoeiro de hidrogênio opaco que ocupava o espaço entre as galáxias. Um artigo sobre essa pesquisa foi publicado em fevereiro de 2024.

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

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

O que era o “nevoeiro” do Universo jovem

No início do Universo, poucos minutos após o Big Bang, o espaço estava tomado por uma névoa quente e extremamente densa de plasma ionizado. A pouca luz existente não conseguiria atravessar esse meio: os fótons simplesmente se espalhariam ao colidir com os elétrons livres, o que, na prática, deixava o Universo às escuras.

À medida que o cosmos se resfriou, cerca de 300.000 anos depois, prótons e elétrons começaram a se combinar, formando gás de hidrogênio neutro (e uma pequena quantidade de hélio).

A maior parte dos comprimentos de onda de luz conseguiria atravessar esse meio neutro - mas quase não havia fontes luminosas para produzi-la. Ainda assim, foi justamente desse hidrogênio e hélio que nasceram as primeiras estrelas.

Essas estrelas iniciais emitiram radiação com força suficiente para arrancar elétrons de seus núcleos, reionizando o gás. A essa altura, porém, o Universo já tinha se expandido tanto que o gás se tornou difuso e já não era capaz de impedir que a luz se propagasse.

Por volta de 1 bilhão de anos após o Big Bang - no fim do período conhecido como amanhecer cósmico - o Universo estava completamente reionizado. Tcharam: as luzes estavam acesas.

Quem poderia ter reionizado o cosmos no amanhecer cósmico

O problema é que essa fase é marcada por muita “turbidez” e, além disso, é fraca e extremamente distante no tempo e no espaço; por isso, tem sido difícil enxergar o que realmente existia ali.

Por muito tempo, cientistas imaginaram que a maior parte da “limpeza” do nevoeiro teria sido causada por fontes poderosíssimas - como grandes buracos negros, cuja acreção gera um brilho intenso, e galáxias massivas em plena formação estelar (estrelas recém-nascidas emitem muita luz ultravioleta).

O JWST foi concebido, em parte, para observar o amanhecer cósmico e tentar identificar o que se escondia nessa época. E o telescópio tem sido extremamente bem-sucedido, trazendo diversas surpresas sobre esse momento essencial na formação do nosso Universo. De forma inesperada, as observações agora indicam que galáxias anãs podem ser as principais responsáveis pela reionização.

Abell 2744 e a lente gravitacional vista por JWST e Hubble

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

O Abell 2744 é tão denso que deforma o espaço-tempo ao seu redor e funciona como uma lente gravitacional: a luz muito distante que passa por essa região chega até nós ampliada. Isso permitiu que os pesquisadores detectassem galáxias anãs diminutas, próximas do amanhecer cósmico.

Em seguida, o time usou o JWST para obter espectros detalhados dessas pequenas galáxias. A análise mostrou que, além de serem o tipo de galáxia mais abundante no Universo primitivo, elas também são muito mais brilhantes do que se esperava.

Na prática, o estudo indica que as galáxias anãs superam as galáxias grandes em uma proporção de 100 para 1 - e que a produção conjunta delas é quatro vezes maior em radiação ionizante do que normalmente se supõe para galáxias maiores.

"Essas potências cósmicas, em conjunto, emitem mais do que energia suficiente para dar conta do recado", disse Atek.

"Apesar do tamanho minúsculo, essas galáxias de baixa massa produzem radiação energética em grande quantidade, e sua abundância nesse período é tão significativa que sua influência coletiva pode transformar o estado inteiro do Universo."

Próximos passos para confirmar o papel das galáxias anãs

Embora seja, até agora, a evidência mais forte sobre a força motriz por trás da reionização, ainda há trabalho a fazer. Os cientistas analisaram apenas uma pequena região do céu; por isso, precisam verificar se a amostra não representa apenas um agrupamento atípico de galáxias anãs, e sim um retrato fiel de toda a população existente no amanhecer cósmico.

A intenção é investigar outras regiões do céu com lentes gravitacionais para ampliar a amostragem de populações galácticas antigas. Mesmo com este único conjunto de dados, os resultados são extremamente empolgantes. Há décadas os pesquisadores buscam respostas sobre a reionização desde que se soube que ela ocorreu - e agora parece que estamos perto de, finalmente, dissipar o nevoeiro.

"Agora entramos em um território inexplorado com o JWST", disse o astrofísico Themiya Nanayakkara, da Swinburne University of Technology, na Austrália.

"Este trabalho abre um conjunto de questões ainda mais empolgantes que precisamos responder, enquanto tentamos mapear a história evolutiva dos nossos primórdios."

A pesquisa foi publicada na Nature.

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