O Telescópio Espacial Spitzer da NASA revelou que algumas das primeiras galáxias do universo eram mais brilhantes do que o esperado. O excesso de luz é um subproduto das galáxias que liberam quantidades incrivelmente altas de radiação ionizante. A descoberta oferece pistas para a causa da Época da Reionização, um grande evento cósmico que transformou o universo de opaco na brilhante paisagem estelar vista hoje.

Em um novo estudo, pesquisadores relatam observações de algumas das primeiras galáxias a se formarem no universo, menos de 1 bilhão de anos após o big bang (ou um pouco mais de 13 bilhões de anos atrás). Os dados mostram que em alguns comprimentos de onda específicos de luz infravermelha, as galáxias são consideravelmente mais brilhantes do que os cientistas previram. O estudo é o primeiro a confirmar esse fenômeno para uma grande amostra de galáxias desse período, mostrando que estes não eram casos especiais de brilho excessivo, mas que mesmo as galáxias médias presentes naquela época eram muito mais brilhantes nesses comprimentos de onda do que as galáxias que vemos hoje.

Ninguém sabe ao certo quando as primeiras estrelas do nosso universo ganharam vida. Mas as evidências sugerem que entre cerca de 100 milhões e 200 milhões de anos após o big bang, o universo estava cheio principalmente de gás hidrogênio neutro que talvez tivesse apenas começado a se aglutinar em estrelas, que então começaram a formar as primeiras galáxias. Cerca de 1 bilhão de anos após o big bang, o universo se tornou um firmamento cintilante. Outra coisa mudou, também:os elétrons do gás hidrogênio neutro onipresente foram removidos em um processo conhecido como ionização. A Época da Reionização - a mudança de um universo cheio de hidrogênio neutro para outro cheio de hidrogênio ionizado - está bem documentada.

Antes desta transformação em todo o universo, formas de luz de longo comprimento de onda, como ondas de rádio e luz visível, atravessou o universo mais ou menos desimpedido. Mas comprimentos de onda de luz mais curtos - incluindo luz ultravioleta, Raios X e raios gama - foram interrompidos por átomos de hidrogênio neutros. Essas colisões retirariam os átomos de hidrogênio neutros de seus elétrons, ionizando-os.

Mas o que poderia ter produzido radiação ionizante suficiente para afetar todo o hidrogênio do universo? Foram estrelas individuais? Galáxias gigantes? Se qualquer um fosse o culpado, aqueles primeiros colonizadores cósmicos teriam sido diferentes da maioria das estrelas e galáxias modernas, que normalmente não liberam grandes quantidades de radiação ionizante. Então de novo, talvez outra coisa totalmente causou o evento, como quasares - galáxias com centros incrivelmente brilhantes alimentados por enormes quantidades de material orbitando buracos negros supermassivos.

"É uma das maiores questões em aberto na cosmologia observacional, "disse Stephane De Barros, autor principal do estudo e pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Genebra, na Suíça. "Nós sabemos que aconteceu, mas o que causou isso? Essas novas descobertas podem ser uma grande pista. "

Procurando por luz

Para voltar no tempo, para a era pouco antes do fim da Época da Reionização, Spitzer olhou para duas regiões do céu por mais de 200 horas cada, permitindo que o telescópio espacial colete luz que viajou por mais de 13 bilhões de anos para chegar até nós.

Como algumas das observações científicas mais longas já realizadas por Spitzer, eles faziam parte de uma campanha de observação chamada GREATS, abreviação de GOODS Re-ionization Era Wide-Area Treasury de Spitzer. GOODS (uma sigla:Great Observatories Origins Deep Survey) é outra campanha que realizou as primeiras observações de alguns alvos GREATS. O estudo, publicado no Avisos mensais da Royal Astronomical Society , também usou dados de arquivo do telescópio espacial Hubble da NASA.

Usando essas observações ultraprofundas do Spitzer, a equipe de astrônomos observou 135 galáxias distantes e descobriu que todas eram particularmente brilhantes em dois comprimentos de onda específicos de luz infravermelha produzida por radiação ionizante interagindo com gases de hidrogênio e oxigênio dentro das galáxias. Isso implica que essas galáxias eram dominadas por jovens, estrelas massivas compostas principalmente de hidrogênio e hélio. Eles contêm quantidades muito pequenas de elementos "pesados" (como nitrogênio, carbono e oxigênio) em comparação com estrelas encontradas na média das galáxias modernas.

Essas estrelas não foram as primeiras a se formar no universo (aquelas seriam compostas apenas de hidrogênio e hélio), mas ainda eram membros de uma geração muito inicial de estrelas. A Época da Reionização não foi um evento instantâneo, então, embora os novos resultados não sejam suficientes para fechar o livro sobre este evento cósmico, eles fornecem novos detalhes sobre como o universo evoluiu neste momento e como a transição ocorreu.

"Não esperávamos que o Spitzer, com um espelho não maior do que um Hula-Hoop, seria capaz de ver galáxias tão perto do amanhecer dos tempos, "disse Michael Werner, Cientista do projeto de Spitzer no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia. “Mas a natureza é cheia de surpresas, e o brilho inesperado dessas primeiras galáxias, junto com o excelente desempenho do Spitzer, coloca-os dentro do alcance de nosso pequeno mas poderoso observatório. "

James Webb Space Telescope da NASA, previsto para ser lançado em 2021, estudará o universo em muitos dos mesmos comprimentos de onda observados pelo Spitzer. Mas onde o espelho principal do Spitzer tem apenas 85 centímetros (33,4 polegadas) de diâmetro, O de Webb tem 6,5 metros (21 pés) - cerca de 7,5 vezes maior - permitindo que Webb estude essas galáxias com muito mais detalhes. Na verdade, Webb tentará detectar a luz das primeiras estrelas e galáxias do universo. O novo estudo mostra que, devido ao seu brilho nesses comprimentos de onda infravermelhos, as galáxias observadas por Spitzer serão mais fáceis para Webb estudar do que se pensava anteriormente.

"Esses resultados do Spitzer são certamente mais um passo para resolver o mistério da reionização cósmica, "disse Pascal Oesch, professor assistente da Universidade de Genebra e co-autor do estudo. "Agora sabemos que as condições físicas nessas galáxias primitivas eram muito diferentes das galáxias típicas de hoje. Será trabalho do Telescópio Espacial James Webb descobrir as razões detalhadas."