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As estrelas mais antigas do Universo se formaram por último

O satélite Planck revela que as primeiras estrelas do Universo se formaram mais de 100 milhões de anos depois do que se acreditava

 

ESA e Colaboração Planck
A radiação cósmica de fundo (CMB), como vista pelo Satélite Planck espalhada pelo céu inteiro. A escala de cor mostra diferenças de temperatura na CMB, enquanto a textura mapeia a direção da luz polarizada. Algumas das medidas de polarização do Planck produziram uma nova estimativa para a formação das primeiras estrelas do Universo.

 

 
Por Lee Billings

Se você pudesse ver o Universo há cerca de 13,8 bilhões de anos, ele se pareceria com uma chama. Naquela época tudo era apenas uma névoa quente ionizada – um plasma – que ainda brilhava após seu nascimento no Big Bang, na aurora do tempo. Mas quando o Universo ainda estava em sua infância, um jovem de 370 mil anos, tudo mudou.

Esfriando lentamente enquanto expandia, o Universo ficou frio o bastante para que elétrons no plasma se combinassem com prótons, formando gás hidrogênio. Quando aquele plasma opaco se transformou em um gás límpido, sua última luz incandescente finalmente ficou livre para brilhar em um Universo que acabava de se tornar transparente.

Essa luz ancestral nos atinge até hoje, reduzida pelas eras a uma tênue emissão em microondas que permeia todo o céu: a radiação cósmica de fundo (CMB, em inglês). Essa luz permite que cosmólogos obtenham o vislumbre mais antigo possível do Universo primitivo, fornecendo evidências cruciais sobre sua origem, idade e composição.

Apesar de ser a fotografia definitiva da infância do Universo, porém, a CMB também traz imagens do Universo enquanto ele crescia. Atravessando bilhões de anos-luz de espaço em expansão para chegar até nós, a CMB foi sutilmente alterada por interações com estruturas cósmicas coalescentes. Ela codifica a história de como uma sopa quase disforme de matéria e radiação se transformou em nosso organizado Cosmos de galáxias, estrelas e planetas.

 Agora, cosmólogos usando mapas da CMB produzidos pelo satélite Planck, da Agência Espacial Europeia, identificaram o momento de um evento fundamental nessa história – o fim da “Idade das Trevas” do Universo, o período que jaz entre a criação da CMB e a formação das primeiras estrelas.

De acordo com dados do Planck, coletados entre 2009 e 2013, a luz estelar começou a inundar o Universo 560 milhões de anos após o Big Bang. Essa data fica 140 milhões de anos além da melhor estimativa anterior, que era de 420 milhões de anos após o Big Bang, realizada em 2006 usando dados da CMB obtidos pela Sonda Wilkinson de Anisotropia de Microondas  (WMAP).

Assim, o Planck trouxe boas novas para observadores que esperavam ver a luz das primeiras estrelas com os instrumentos de última geração, que logo entrarão em funcionamento, como o Telescópio Espacial James Webb e o Square Kilometer Array. Essas notícias também são boas para cosmólogos teóricos, que se esforçavam para reconciliar resultados da WMAP com outras estimativas conflitantes do fim da Idade das Trevas.

Iluminando a Idade das Trevas

Quando as primeiras estrelas se formaram, sua intensa luz ultravioleta “reionizou” o Universo, removendo elétrons da maior parte do hidrogênio. O plasma resultante era rico em elétrons e espalhava os fótons da CMB conforme eles passavam por ali. Esse espalhamento está registrado na polarização da CMB (a direção em que ondas de luz oscilam enquanto viajam). Quanto mais cedo as primeiras estrelas se formassem, mais elétrons espalhados seriam produzidos, e mais forte seria o sinal de polarização resultante na CMB. Foi essa polarização que a WMAP, e depois o Planck, tentaram medir.  

“A análise da WMAP que colocava a reionização 420 milhões de anos após o Big Bang era um grande mistério”, declara George Efstathiou, cosmólogo da University of Cambridge e líder da Colaboração Planck. “Porque simplesmente não existiam estrelas o bastante naquela época para reionizar o Universo tão rapidamente”.

Após o anúncio da WMAP em 2006, cosmólogos levaram o Telescópio Espacial Hubble a seus limites observacionais, conduzindo várias pesquisas profundas em busca das primeiras galáxias formadoras de estrelas que seriam necessárias para apoiar o resultado. As pesquisas simplesmente não encontraram muitos objetos luminosos em eras suficientemente primitivas para o tempo da WMAP – não parecia haver luz estelar suficiente durante aquela época para reionizar o Universo.  

Teóricos, porém, já tinham várias explicações possíveis para como o Universo poderia ter se tornado tão iluminado, tão rapidamente.

Talvez, pensaram alguns, houve hordas de pequenas galáxias tênues demais para serem vistas pelo Hubble. Ou talvez, disseram outros, as primeiras estrelas fossem estranhas gigantes supermassivas de vida curta, muito mais brilhantes e centenas ou até milhares de vezes mais massivas que nosso Sol. Essas ideias não foram refutadas mas, graças à revisão da linha do tempo realizada pelo Planck, de acordo Efstathiou, “agora não precisamos de nada além do que já vemos”.

“Uma diferença de 140 milhões de anos pode não parecer muito grande, mas é suficiente para explicar a reionização sem uma geração inicial de estrelas ou outros processos exóticos”, explica Marco Bersanelli, da Universidade de Milão e colaborador do Planck. “Os resultados do Planck indicam uma boa simplificação de nossa compreensão dessa época crucial na história cósmica”.

David Spergel, da University of Princeton, proeminente ex-membro da equipe da WMAP, concorda. “Isso realmente ajuda a reforçar o modelo cosmológico padrão, e também deixa a vida das pessoas mais fácil”, comenta Spergel. Os resultados mais recentes do Planck, aponta ele, na verdade são muito consistentes com os dados iniciais da WMAP, mesmo mostrando que as medidas da WMAP estavam contaminadas por um sinal de polarização da poeira em nossa Via Láctea.

Quando os dados da poeira galáctica obtidos pelos instrumentos mais sensíveis do Planck são usados para corrigir as descobertas da WMAP, a estimativa resultante para a reionização também chega a aproximadamente 560 milhões de anos após o Big Bang. Adicionalmente, a colaboração Planck conduziu mais uma verificação, usando uma técnica chamada de lenteamento gravitacional [NOTA: Isso é a utilização de lentes gravitacionais para ajudar nas observações. Basicamente, nós aproveitamos a distorção gravitacional de corpos muito massivos, o que curva a luz em um efeito de lente.] para varrer a CMB em busca de evidências sobre o nível de aglomeração do Universo no início de sua vida. Essa técnica pode produzir uma estimativa totalmente independente para o momento da reionização. “O lenteamento não tem nada a ver com polarização, e isso é importante”, observa Efstathiou. “Porque mesmo assim produz a mesma resposta: 560 milhões de anos”.    

Um futuro mais brilhante

Outras verificações independentes já estão aparecendo, incluindo uma nova análise que combina as últimas limitações do Planck com as pesquisas do Telescópio Espacial Hubble, que eram confusas. “Nosso artigo mostra que galáxias formadoras de estrelas provavelmente forneciam radiação ionizante suficiente para explicar o momento e a magnitude da reionização inferida a partir dos dados do Planck”, explica o principal autor, Brant Robertson, da University of Arizona.

Os resultados não apenas validam os dados do Planck, como também indicam o que o Telescópio Espacial James Webb, da Nasa, pode observar após seu lançamento, marcado para 2018. De acordo com Robertson, o conjunto de dados do Planck e do Hubble sugere que o Webb poderia observar facilmente a ordem de cinco galáxias com menos de meio bilhão de anos “logo em seu primeiro ano de observações”. 

“Ao estudar os primeiros objetos luminosos formados, o Webb e outros instrumentos, como o Square Kilometer Array, esperam observar e compreender como ocorreu a transição de um Universo que não tinha nada, para um com estrelas e galáxias”, declara Efstathiou. “Os resultados do Planck sugerem que descobrir isso será mais fácil. Quanto mais tarde os primeiros objetos tiverem se formado, melhor, assim temos mais chances de observá-los”.

Além da questão de quando as primeiras estrelas do Universo se formaram, os dados do Planck ainda podem resolver outros mistérios – e revelar ainda mais. De acordo com Bersanelli, um final mais tardio para a Idade das Trevas “favorece um cenário simples de matéria escura fria” em que partículas massivas, de movimento lento e interação fraca, compoem a maior parte da elusiva substância desconhecida que suplanta completamente a matéria visível no Universo. Outras explicações alternativas, como cenários “quentes” onde partículas de matéria escura voam por aí a frações substanciais da velocidade da luz, são mais difíceis de reconciliar com o conjunto de dados sobre a cronologia da formação de estruturas cósmicas.

Os dados mais recentes do Planck parecem enfraquecer o caso dos modelos mais simples da inflação cosmológica, uma aceleração postulada na expansão do Universo primordial durante os primeiros instantes após o Big Bang. “Esses modelos não foram totalmente descartados pelo Planck, mas não estão indo bem”, declara Spergel.

A parte mais intrigante dos novos dados do Planck, aponta ele, é o que eles sugerem sobre a “aglomeração” da matéria no Universo primitivo. Medir isso pode ajudar a limitar modelos da energia escura, a misteriosa força que parece estar conduzindo a expansão acelerada do Universo atual. “Como inferido pelo Planck, o Universo parece ter sido mais cheio no passado em relação ao que vemos quando observamos aglomerados galácticos. Só existem três explicações possíveis: talvez haja algo errado com os dados da CMB... Ou talvez haja algo errado com nossa interpretação da contagem de aglomerados galácticos. A possibilidade final, que seria a mais empolgante, é que precisamos de uma nova física!”

Publicado por Scientific American em 17 de fevereiro de 2015