O que acabou com a era escura do universo?

Novos experimentos ajudarão os astrônomos a descobrir as fontes que ajudaram a tornar o universo transparente.

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Ilustração: Corinne Mucha.

Artigo traduzido de Symmetry Magazine. Autor: Diana Kwon.

Quando observamos o cosmos através dos nossos telescópios, podemos ver estrelas e galáxias como eram bilhões de anos atrás. Isso só é possível porque o meio intergalático que estamos examinando é transparente. Mas nem sempre foi assim.

Cerca de 380.000 anos após o Big Bang veio a recombinação, quando a massa quente de partículas que compunham o universo arrefeceram o suficiente para que os elétrons se juntassem com os prótons, formando hidrogênio neutro. Isso trouxe a era escura, durante a qual o gás neutro no meio intergalático absorveu a maior parte dos fótons de alta energia em torno dele, tornando o universo opaco para esses comprimentos de onda de luz.

Então, algumas centenas de milhões de anos mais tarde, novas fontes de fótons energéticos apareceram, removendo elétrons dos átomos de hidrogênio e retornando-os ao estado ionizado, permitindo que a luz viajasse facilmente pelo meio intergalático. Depois que esta era de reionização foi concluída, o universo ficou totalmente transparente, mais uma vez.

Os físicos estão usando uma variedade de métodos para buscar as fontes da reionização, e encontrá-las fornecerá insights sobre as primeiras galáxias, a estrutura do universo primitivo e possivelmente até mesmo as propriedades da matéria escura.

Fontes energéticas

A pesquisa atual sugere que a maioria – se não todos – dos fótons ionizantes veio da formação das primeiras estrelas e galáxias. “O processo de reionização é basicamente uma competição entre a velocidade com que as estrelas produzem radiação ionizante e a taxa de recombinação no meio intergalático”, diz Brant Robertson, astrofísico teórico da Universidade da Califórnia em Santa Cruz.

No entanto, os astrônomos ainda têm de encontrar estas primeiras galáxias, deixando espaço para outras fontes potenciais. As primeiras estrelas sozinhas podem não ter sido suficientes. “Existem indubitavelmente outras contribuições, mas discutimos sobre sua importância”, diz Robertson.

Os núcleos galácticos ativos, ou AGN, poderiam ter sido uma fonte de reionização. AGN são corpos luminosos, tais como quasares, que são alimentados por buracos negros e liberam radiação ultravioleta e raios-X. No entanto, os cientistas ainda não sabem quão abundante esses objetos foram no início do universo.

Outra possibilidade, mais exótica, é a aniquilação da matéria escura. Em alguns modelos de matéria escura, as partículas colidem umas com as outras, aniquilando e produzindo matéria e radiação. “Se através deste canal ou algo mais pudéssemos encontrar evidências para a aniquilação da matéria escura, isso seria fantasticamente interessante, porque imediatamente nos daria uma estimativa da massa da matéria escura e como ela interage com as partículas do Modelo Padrão”, diz Tracy Slatyer, físico de partículas do MIT.

A aniquilação da matéria escura e o AGN podem também ter ajudado indiretamente a reionização ao fornecer calor extra ao universo.

Sondando a aurora cósmica

Para testar suas teorias do curso da reionização cósmica, os astrônomos estão investigando esta época na história do universo usando vários métodos, incluindo observações de telescópio, algo chamado “cosmologia de 21 centímetros” e sondando o fundo cósmico de microondas.

Os astrônomos ainda têm de encontrar provas da fonte mais provável de reionização – as primeiras estrelas – mas eles estão procurando.

Ao avaliar a luminosidade das primeiras galáxias, os físicos puderam estimar quantos fótons ionizantes elas poderiam ter liberado. “Até o momento não houve observações das galáxias reais que estão reionizando o universo – até mesmo o Hubble não consegue capturar nenhuma delas – mas a esperança é que o Telescópio Espacial James Webb possa”, diz John Wise, astrofísico da Georgia Tech.

Algumas das informações mais reveladoras virão da cosmologia de 21 centímetros, chamada assim porque estuda ondas de rádio de 21 centímetros. O hidrogênio neutro emite ondas de rádio dessa frequência, o hidrogênio ionizado não. Experiências como o Hydrogen Epoch of Reionization Array irá detectar o hidrogênio neutro usando radiotelescópios sintonizados para esta frequência. Isso poderia fornecer evidências clinicas sobre as fontes de reionização.

“A ideia básica da cosmologia de 21 centímetros é não olhar para as galáxias, mas tentar fazer medições diretas do meio intergalático – o hidrogênio entre as galáxias”, diz Adrian Liu, adjunto do Hubble na UC Berkeley. “Isso realmente permite que você, em princípio, veja diretamente a reionização, [ver como] afeta o meio intergalático.”

Localizando onde o universo está sendo ionizado e onde não está, os astrônomos podem criar um mapa de como o hidrogênio neutro estava distribuído no universo primitivo. “Se galáxias estão fazendo isso, então você teria bolhas ionizadas [em torno delas]. Se for a matéria escura – a matéria escura está em toda parte – então você está ionizando toda parte, ao invés de ter bolhas de gás ionizante”, diz Steven Furlanetto, astrofísico teórico da Universidade da Califórnia em Los Angeles.

Os físicos também podem aprender sobre as fontes de reionização estudando o fundo cósmico de microondas, ou CMB.

Quando um átomo é ionizado, o elétron que é liberado dispersa e interrompe o CMB. Os físicos podem usar essa informação para determinar quando a reionização aconteceu e colocar restrições sobre quantos fótons foram necessários para completar o processo.

Por exemplo, os físicos relataram no ano passado que os dados liberados do satélite Planck foram capazes de diminuir sua estimativa de quanta ionização foi causada por outras fontes além das galáxias. “Só porque você poderia potencialmente explicá-lo com as galáxias formadoras de estrelas, isso não significa que outra coisa não esteja à espreita nos dados”, diz Slatyer. “Esperamos obter medidas muito melhores da época de reionização usando experiências como as observações de 21 centímetros”.

Ainda é muito cedo para descartar explicações alternativas para as fontes de reionização, uma vez que os astrônomos ainda estão no começo de descobrir esta era na história de nosso universo, diz Liu. “Eu diria que uma das coisas mais divertidas sobre trabalhar neste campo é que não sabemos exatamente o que aconteceu.”

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