Galáxias anãs poderão ter acendido a alvorada cósmica no Universo primitivo, dizem Hubble e James Webb

Podemos finalmente ter uma boa pista sobre o que acendeu, pela primeira vez, a luz da alvorada cósmica no Universo jovem.

Com base em dados recolhidos pelos telescópios espaciais Hubble e James Webb (JWST), a origem dos fotões que circulavam livremente no início da alvorada cósmica poderá ter sido um enorme conjunto de pequenas galáxias anãs que entraram em actividade e ajudaram a dissipar o nevoeiro de hidrogénio opaco que preenchia o espaço intergaláctico. Um artigo científico sobre este trabalho foi publicado em Fevereiro de 2024.

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

"Elas produzem fotões ionizantes que transformam o hidrogénio neutro em plasma ionizado durante a reionização cósmica. Isto sublinha a importância de compreender as galáxias de baixa massa na forma como moldaram a história do Universo."

Veja o vídeo abaixo para um resumo:

O que aconteceu na alvorada cósmica e na reionização cósmica

Nos primeiros instantes do Universo, poucos minutos após a Grande Explosão, o espaço estava ocupado por uma névoa quente e extremamente densa de plasma ionizado. A pouca luz existente não conseguia atravessar esse meio: os fotões limitavam-se a dispersar-se nos electrões livres em movimento, deixando o Universo, na prática, às escuras.

À medida que o Universo arrefeceu, cerca de 300.000 anos depois, protões e electrões começaram a combinar-se, formando gás de hidrogénio neutro (e uma pequena quantidade de hélio).

A maioria dos comprimentos de onda da luz conseguia atravessar esse meio neutro, mas havia um problema: quase não existiam fontes luminosas para a produzir. Ainda assim, a partir desse hidrogénio e hélio, nasceram as primeiras estrelas.

A radiação dessas primeiras estrelas foi suficientemente intensa para arrancar electrões aos núcleos atómicos e voltar a ionizar o gás. Nessa fase, porém, o Universo já se tinha expandido tanto que o gás se encontrava muito difuso e deixou de ser capaz de impedir a luz de se espalhar.

Por volta de 1 mil milhões de anos após a Grande Explosão - no final do período a que chamamos alvorada cósmica - o Universo estava completamente reionizado. E pronto: as luzes tinham-se acendido.

Porque é tão difícil observar esta fase do Universo

O problema é que a alvorada cósmica está envolta em muita “bruma” e é, ao mesmo tempo, ténue e extremamente distante no tempo e no espaço. Por isso, tem sido difícil perceber com clareza o que lá existe.

Durante muito tempo, os cientistas consideraram que as principais fontes responsáveis por essa “limpeza” teriam de ser objectos muito poderosos - por exemplo, buracos negros gigantes, cuja acreção produz luz intensa, e grandes galáxias em plena formação estelar (as estrelas recém-nascidas emitem muita radiação ultravioleta).

O JWST foi concebido, em parte, para espreitar a alvorada cósmica e tentar identificar o que se escondia nessa época. E tem sido notavelmente eficaz, trazendo várias surpresas sobre este período decisivo na formação do nosso Universo. De forma inesperada, as observações agora apontam para as galáxias anãs como peças-chave da reionização.

JWST, Hubble e Abell 2744: galáxias anãs como motor da reionização

Uma equipa internacional liderada pelo astrofísico Hakim Atek, do Institut d'Astrophysique de Paris, analisou dados do JWST de um enxame de galáxias chamado Abell 2744, complementados por observações do Hubble.

O Abell 2744 é tão denso que deforma o espaço-tempo à sua volta, funcionando como uma lente cósmica: a luz muito distante que viaja até nós através desse espaço-tempo fica ampliada. Graças a esse efeito, os investigadores conseguiram observar minúsculas galáxias anãs próximas do período da alvorada cósmica.

Em seguida, recorreram ao JWST para obter espectros detalhados dessas galáxias diminutas. A análise mostrou que, além de serem o tipo de galáxia mais abundante no Universo primitivo, estas galáxias anãs são também muito mais brilhantes do que se esperava.

Na realidade, o estudo indica que as galáxias anãs superam as galáxias grandes numa proporção de 100 para 1, e que, em conjunto, produzem quatro vezes a radiação ionizante que normalmente se assume para galáxias maiores.

"Estas potências cósmicas, em conjunto, emitem mais do que energia suficiente para cumprir a tarefa", disse Atek.

"Apesar do seu tamanho reduzido, estas galáxias de baixa massa são produtoras muito férteis de radiação energética, e a sua abundância durante este período é tão grande que a sua influência colectiva pode transformar o estado inteiro do Universo."

Esta é, até ao momento, a evidência mais forte sobre a força por trás da reionização - mas ainda falta trabalho. A equipa analisou apenas uma pequena região do céu; agora é necessário confirmar que o conjunto observado não é apenas um agrupamento invulgar de galáxias anãs, mas sim uma amostra representativa de toda a população existente na alvorada cósmica.

Para isso, os investigadores tencionam observar mais regiões do céu com lente gravitacional, de modo a reunir uma amostra mais ampla de populações galácticas iniciais. Ainda assim, mesmo com este único conjunto, os resultados são extraordinariamente entusiasmantes. Há décadas que se procuram respostas para a reionização, desde que se reconheceu a sua existência. Estamos muito perto de, finalmente, dissipar o nevoeiro.

"Entrámos agora em território desconhecido com o JWST", afirmou o astrofísico Themiya Nanayakkara, da Swinburne University of Technology, na Austrália.

"Este trabalho abre mais questões empolgantes a que precisamos de responder nos nossos esforços para traçar a história evolutiva das nossas origens."

A investigação foi publicada na Nature.

Uma versão anterior deste artigo foi originalmente publicada em Março de 2024.