Galáxias anãs no amanhecer cósmico: o que o JWST e o Hubble revelam

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

Com base em observações dos telescópios espaciais Hubble e James Webb (JWST), as evidências indicam que a origem dos fótons livres que passaram a circular no início do amanhecer cósmico foi um conjunto de pequenas galáxias anãs que “entraram em erupção” de atividade, dissipando a névoa de hidrogénio turvo que preenchia o espaço entre as galáxias. Um artigo com esses resultados 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 hidrogénio neutro em plasma ionizado durante a reionização cósmica. Isso destaca a importância de compreender galáxias de baixa massa na formação da história do Universo."

Assista ao vídeo abaixo para um resumo:

Do Big Bang à reionização: quando o Universo saiu do “escuro”

Nos primeiros minutos após o Big Bang, o espaço estava tomado por uma neblina quente e densa de plasma ionizado. A pouca luz existente não conseguia atravessar esse meio: os fótons batiam e se espalhavam nos elétrons livres ao redor, deixando o Universo efetivamente escuro.

Com o arrefecimento do Universo, cerca de 300,000 anos depois, prótons e elétrons começaram a se combinar, formando gás de hidrogénio neutro (e uma pequena porção de hélio).

Nesse ambiente neutro, a maior parte dos comprimentos de onda de luz já conseguiria se propagar. O problema era outro: quase não havia fontes luminosas capazes de produzir essa luz. Ainda assim, a partir desse hidrogénio e hélio surgiram as primeiras estrelas.

A radiação dessas estrelas iniciais foi intensa o suficiente para arrancar elétrons de seus núcleos e reionizar o gás. Nessa altura, porém, o Universo já tinha se expandido a ponto de o gás ficar difuso demais para bloquear a luz, permitindo que ela finalmente escapasse.

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.

Por que o amanhecer cósmico é tão difícil de observar

Só que, como há muita opacidade no amanhecer cósmico - e porque tudo é muito fraco e distante no tempo e no espaço - tem sido difícil enxergar com clareza o que, de facto, estava lá.

Por muito tempo, cientistas consideraram que as fontes responsáveis pela maior parte dessa “limpeza” precisariam ser muito potentes - por exemplo, buracos negros gigantes, cuja acreção gera um brilho intenso, e grandes galáxias em pleno surto de formação estelar (estrelas recém-nascidas emitem muita luz ultravioleta).

O JWST foi projetado, em parte, justamente para espreitar o amanhecer cósmico e tentar revelar o que se escondia nesse período. Ele tem sido extremamente bem-sucedido e já expôs várias surpresas sobre essa fase decisiva na formação do nosso Universo. De forma inesperada, as observações agora sugerem que as galáxias anãs são as protagonistas da reionização.

Galáxias anãs, JWST e Hubble: a pista decisiva na reionização

Uma equipa 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 apoio de observações do Hubble.

O Abell 2744 é tão denso que deforma o espaço-tempo ao seu redor, funcionando como uma lente cósmica: a luz distante que atravessa essa região em direção a nós chega ampliada. Esse efeito permitiu aos pesquisadores detectar pequenas galáxias anãs próximas do amanhecer cósmico.

Em seguida, a equipa utilizou o JWST para obter espectros detalhados dessas galáxias minúsculas. A análise mostrou que, além de serem o tipo de galáxia mais abundante no Universo primitivo, essas galáxias anãs também são muito mais brilhantes do que se esperava.

Na prática, os resultados indicam que as galáxias anãs superam as grandes galáxias numa proporção de 100 to 1, e que a emissão conjunta delas corresponde a quatro vezes a radiação ionizante normalmente atribuída às galáxias maiores.

"Essas potências cósmicas, em conjunto, emitem energia mais do que suficiente para fazer o trabalho", disse Atek.

"Apesar do tamanho diminuto, essas galáxias de baixa massa são produtoras prolíficas de radiação energética, e sua abundância nesse período é tão grande que a influência coletiva pode transformar todo o estado do Universo."

O que ainda falta confirmar

Embora seja a evidência mais forte até agora sobre a força motriz por trás da reionização, ainda há etapas pela frente. O grupo avaliou apenas uma pequena área do céu; por isso, é preciso confirmar que a amostra não corresponde apenas a um aglomerado atípico de galáxias anãs, mas sim a um retrato representativo de toda a população no amanhecer cósmico.

A intenção é observar mais regiões do céu com lentes cósmicas para reunir uma amostra mais ampla de populações galácticas antigas. Ainda assim, mesmo com esse único recorte, os achados são extremamente empolgantes. Há décadas, cientistas perseguem respostas sobre a reionização desde que ela foi identificada - e agora parece que estamos muito perto de, enfim, dissipar a névoa.

"Agora entrámos em território desconhecido com o JWST", disse a astrofísica Themiya Nanayakkara, da Swinburne University of Technology, na Austrália.

"Este trabalho abre ainda mais perguntas empolgantes que precisamos responder nos nossos esforços para mapear a história evolutiva das nossas origens."

A pesquisa foi publicada na Nature.

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