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Fotos do Hubble revelam luz das primeiras estrelas do Universo

Astrônomos detectaram um tênue brilho que data de pouco depois do Big Bang

NASA, ESA, G. Illingworth, D. Magee e P. Oesch (Universidade da Califórnia, Santa Cruz), R. Bouwens (Universidade Leiden) e equipe HUDF09
Como fotógrafos que compilam um portfólio de suas melhores fotos, astrônomos montaram um novo retrato, aprimorado, da imagem, ou vista mais profunda que a humanidade já teve do Universo
Shannon Hall

Em meio aos milhares de galáxias brilhantes que pontilham muitas fotos que o Telescópio Espacial Hubble tirou do Cosmos distante, há pontos escuros e vazios; manchas tentadoras que poderiam estar repletas de mais galáxias, desde que pudéssemos vê-las. Agora, astrônomos reanalisaram essas áreas vazias e detectaram uma tênue luz emanando de estrelas formadas há somente 500 milhões de anos após o Big Bang. Os novos resultados (em arquivo pdf) sugerem que essa luz veio de algumas das primeiras galáxias já formadas e que poderiam ser 10 vezes mais numerosas do que se acreditava anteriormente.

Essa chamada “luz de fundo extragaláctica” provavelmente data de aproximadamente 250 milhões de anos após o Big Bang. Pouco depois do nascimento do Universo, o espaço estava cheio de uma névoa quente e densa de gás ionizado. Mas ao longo de centenas de milhares de anos, esse gás expandiu e esfriou, permitindo o colapso de gigantescas nuvens de hidrogênio e hélio que levaram à formação das primeiras estrelas. Desde que essas estrelas se “inflamaram” originalmente, sua luz, e toda a luz de gerações sucessivas de estrelas, tem preenchido o Universo, criando um brilho difuso através das profundezas mais escuras e insondáveis do espaço.

Embora a radiação de fundo extragaláctica tenha provado ser muito difícil de ser detectada conclusivamente, o brilho observado nas fotos do Hubble parece ser a luz de fundo mais distante vista até agora. Utilizando dados do Cosmic Assembly Near-Infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS) e do Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS), a equipe foi capaz de separar a luz de estrelas e galáxias mais tardias e isolar a contribuição luminosa das primeiras estrelas.

O estudante de graduação Ketron Mitchell-Wynne, da Universidade da Califórnia, em Irvine, e seus colegas procuraram por flutuações de intensidade nos pixels aparentemente escuros e vazios em fotos do Hubble, tiradas de 2002 a 2012, para medir a evasiva primeira luz. Essas flutuações os ajudaram a determinar estatisticamente que estavam vendo um débil sinal associado às primeiras estrelas e não apenas ruído. Em seguida, eles subtraíram toda a luz acrescida pelas estrelas de nossa própria galáxia, luz emanada pelas galáxias próximas, e até luz adicionada por estrelas desgarradas, que foram arrancadas de suas galáxias hospedeiras e agora ocupam o espaço intergaláctico, até ficarem exclusivamente com a luz dos primórdios do Universo.

“É realmente um esforço heroico conseguir extrair esse sinal”, opina Pascal Oesch, da Universidade de Yale, que não esteve envolvido no estudo.

A equipe calculou que existe apenas uma chance de 0,8% de que suas medições estejam contaminadas por luz que não é de fundo. Além disso, as antigas estrelas que contribuem para a radiação de fundo parecem ser radicalmente diferentes das que observamos hoje. Criadas exclusivamente a partir de hidrogênio e hélio, elas eram centenas de vezes mais massivas que o Sol e, por essa razão, queimaram com maior radiância e morreram mais rapidamente que estrelas no Universo próximo. “Pode ter havido um flash, uma grande explosão de luz, quando essas primeiras estrelas e galáxias se formaram e depois se esgotaram [queimaram] realmente rápido”, sugere o coautor do estudo Matthew Ashby, do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica. “Se conseguirmos dissociar essa luz de fundo extragaláctica, então deveremos ver o eco daquele flash”.

A equipe essencialmente detectou esse eco, mas só pode afirmar que ele ocorreu nos primeiros 500 milhões de anos, algo que astrônomos já sabiam. Eles querem identificar o momento com mais precisão porque essas massivas estrelas primordiais mudaram drasticamente o destino do Universo. Seus raios ultravioletas aqueceram o espaço circundante, criando bolhas no gás onde a energia dos raios havia arrancado os elétrons de todos os átomos de hidrogênio, convertendo-os de átomos neutros em íons. Por fim, as bolhas cresceram e se uniram até que todo o Universo estivesse novamente ionizado, combinando com seu estado após o Big Bang. Desde então, o Universo permaneceu ionizado.

Embora astrônomos estejam bastante convencidos de que estrelas das primeiras galáxias produziram suficiente luz para ionizar o Universo novamente, Dan Coe, astrônomo do Instituto de Ciência do Telescópio Espacial, que não esteve envolvido no estudo, examina a época de “reionização” na vaga esperança de que galáxias não serão o fator principal.

“Se constatássemos que as galáxias não foram suficientes para realizar a reionização, então teríamos de ter alguma outra explicação e ela talvez seja uma explicação realmente interessante”, pondera Coe. Afinal, há 20 anos, astrônomos acreditavam que núcleos galácticos ativos, fontes intensas e radiantes de luz criadas por buracos negros supermassivos engolindo material, produziram luz suficiente para reionizar o Universo. Essa teoria não teve sucesso, e eles passaram para sua próxima melhor alternativa: galáxias. O mesmo cenário poderia acontecer novamente, propõe Coe, e dessa vez talvez seja algo realmente exótico, como partículas de matéria escura. Talvez, quando essas partículas mal compreendidas colidem elas liberem energia e essa energia seja suficiente para reionizar o Universo. No entanto, Coe é cauteloso ao afirmar que todas as linhas de evidências ainda apontam para galáxias.

Novas pistas virão quando o Telescópio Espacial James Webb for lançado em 2018. De fato, a intensidade da luz de fundo extragaláctica recém-detectada demonstra que o futuro observatório orbital deveria ser capaz de detectar algumas das primeiras galáxias que atualmente espreitam nessas tentadoras áreas escuras de espaço.

Publicado em Scientific American em 6 de outubro de 2015.