O Universo em que vivemos é transparente, onde a luz das estrelas e galáxias brilha contra um pano de fundo claro e escuro, e entre essas, uma galáxia antiga se apresenta.
Mas nem sempre foi assim – em seus primeiros anos, o Universo estava cheio de uma névoa de átomos de hidrogênio que obscurecia a luz das primeiras estrelas e galáxias.
Acredita-se que a intensa luz ultravioleta das primeiras gerações de estrelas e galáxias queimou a névoa de hidrogênio, transformando o Universo no que vemos hoje.
Enquanto as gerações anteriores de telescópios não tinham a capacidade de estudar esses primeiros objetos cósmicos, os astrônomos agora estão usando a tecnologia superior do Telescópio Espacial James Webb para estudar as estrelas e galáxias que se formaram logo após o Big Bang.
Sou um astrônomo que estuda as galáxias mais distantes do Universo usando os principais telescópios terrestres e espaciais do mundo.
Usando novas observações do telescópio Webb e um fenômeno chamado lente gravitacional, minha equipe confirmou a existência da galáxia mais fraca atualmente conhecida do início do Universo.
A galáxia, chamada JD1, é vista como era quando o Universo tinha apenas 480 milhões de anos, ou 4% de sua idade atual.
Uma breve história do início do Universo
Os primeiros bilhões de anos da vida do Universo foram um período crucial em sua evolução. Nos primeiros momentos após o Big Bang, matéria e luz estavam ligadas uma à outra em uma “sopa” quente e densa de partículas fundamentais.
No entanto, uma fração de segundo após o Big Bang, o Universo se expandiu de forma extremamente rápida.
Essa expansão acabou permitindo que o Universo esfriasse o suficiente para que a luz e a matéria se separassem de sua “sopa” e – cerca de 380.000 anos depois – formassem átomos de hidrogênio.
Os átomos de hidrogênio apareceram como uma névoa intergaláctica e, sem a luz de estrelas e galáxias, o Universo estava escuro. Este período é conhecido como a idade das trevas cósmica.
A chegada das primeiras gerações de estrelas e galáxias várias centenas de milhões de anos após o Big Bang banhou o Universo em luz ultravioleta extremamente quente, que queimou – ou ionizou – a névoa de hidrogênio. Este processo produziu o Universo transparente, complexo e belo que vemos hoje.
Astrônomos como eu chamam o primeiro bilhão de anos do Universo – quando essa névoa de hidrogênio estava queimando – a época da reionização.
Para entender completamente esse período de tempo, estudamos quando as primeiras estrelas e galáxias se formaram, quais eram suas principais propriedades e se elas foram capazes de produzir luz ultravioleta suficiente para queimar todo o hidrogênio.
A busca por galáxias fracas no início do Universo
O primeiro passo para entender a época da reionização é encontrar e confirmar as distâncias das galáxias que os astrônomos acham que podem ser responsáveis por esse processo.
Como a luz viaja a uma velocidade finita, leva tempo para chegar aos nossos telescópios, então os astrônomos veem os objetos como eram no passado.
Por exemplo, a luz do centro de nossa galáxia, a Via Láctea, leva cerca de 27.000 anos para chegar até nós na Terra, então vemos como era 27.000 anos atrás. Isso significa que, se quisermos ver os primeiros instantes após o Big Bang (o Universo tem 13,8 bilhões de anos), precisamos procurar objetos em distâncias extremas.
Como as galáxias que residem neste período de tempo estão tão distantes, elas parecem extremamente fracas e pequenas para nossos telescópios e emitem a maior parte de sua luz no infravermelho. Isso significa que os astrônomos precisam de poderosos telescópios infravermelhos como o Webb para encontrá-los.
Antes de Webb, praticamente todas as galáxias distantes encontradas pelos astrônomos eram excepcionalmente brilhantes e grandes, simplesmente porque nossos telescópios não eram sensíveis o suficiente para ver as galáxias menores e mais fracas.
No entanto, é a última população que é muito mais numerosa, representativa e provavelmente os principais impulsionadores do processo de reionização, não os brilhantes.
Portanto, essas galáxias fracas são aquelas que os astrônomos precisam estudar com mais detalhes. É como tentar entender a evolução dos humanos estudando populações inteiras em vez de algumas pessoas muito altas. Ao nos permitir ver galáxias fracas, Webb está abrindo uma nova janela para o estudo do Universo primordial.
Uma típica galáxia primitiva
JD1 é uma dessas galáxias fracas “típicas”. Foi descoberto em 2014 com o Telescópio Espacial Hubble como uma galáxia distante suspeita. Mas o Hubble não tinha capacidade ou sensibilidade para confirmar sua distância – ele poderia fazer apenas um palpite.
Galáxias próximas pequenas e fracas às vezes podem ser confundidas com galáxias distantes, então os astrônomos precisam ter certeza de suas distâncias antes que possamos fazer afirmações sobre suas propriedades. Galáxias distantes, portanto, permanecem “candidatas” até que sejam confirmadas.
O telescópio Webb finalmente tem a capacidade de confirmar isso, e JD1 foi uma das primeiras grandes confirmações de Webb de uma candidata a galáxia extremamente distante encontrada pelo Hubble. Esta confirmação a classifica como a galáxia mais fraca já vista no início do Universo.
Para confirmar JD1, uma equipe internacional de astrônomos e eu usamos o espectrógrafo de infravermelho próximo do Webb, NIRSpec, para obter um espectro infravermelho da galáxia.
O espectro nos permitiu identificar a distância da Terra e determinar sua idade, o número de estrelas jovens que formou e a quantidade de poeira e elementos pesados que produziu.
Lente gravitacional, a lupa da natureza
Mesmo para Webb, JD1 seria impossível de ver sem a ajuda da natureza. JD1 está localizado atrás de um grande aglomerado de galáxias próximas, chamado Abell 2744, cuja força gravitacional combinada dobra e amplifica a luz de JD1.
Esse efeito, conhecido como lente gravitacional, faz com que JD1 pareça maior e 13 vezes mais brilhante do que normalmente.
Sem lentes gravitacionais, os astrônomos não teriam visto JD1, mesmo com Webb.
A combinação da ampliação gravitacional de JD1 e novas imagens de outro instrumento de infravermelho próximo de Webb, o NIRCam, possibilitou que nossa equipe estudasse a estrutura da galáxia com detalhes e resolução sem precedentes.
Isso não significa apenas que nós, como astrônomos, podemos estudar as regiões internas das galáxias iniciais, mas também que podemos começar a determinar se essas galáxias iniciais eram fontes pequenas, compactas e isoladas ou se estavam se fundindo e interagindo com galáxias próximas.
Ao estudar essas galáxias, estamos rastreando os blocos de construção que moldaram o Universo e deram origem ao nosso lar cósmico.
Guido Roberts-Borsani , pesquisador de pós-doutorado em astrofísica, Universidade da Califórnia, Los Angeles
Publicado no TheConversation
Adaptado de ScienceAlert
