Pequenas mas abundantes: como as galáxias menos luminosas iluminaram o Universo primitivo

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Uma vista de todo o volume de simulação mostrando a estrutura em larga escala do gás, que é distribuído em filamentos e aglomerados. As regiões vermelhas são aquecidas pela luz UV proveniente de galáxias, destacadas em branco. Estas galáxias são mais de 1000 vezes menos massivas do que a Via Láctea e contribuíram com quase um terço da luz UV durante a re-ionização. O campo de visão dessa imagem é de 400.000 anos-luz de diâmetro, quando o Universo tinha apenas 700 milhões de anos. Crédito: John Wise.

Artigo traduzido de Royal Astronomical Society.

Os astrônomos que investigam o comportamento do universo logo após o Big Bang fizeram uma descoberta surpreendente: as propriedades do início do universo são determinadas pelas menores galáxias. A equipe relatou suas descobertas em um artigo publicado hoje na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Um zoom da galáxia anã de maior massa na simulação, vista quando o Universo tinha apenas 700 milhões de anos. Esta galáxia tem apenas 3 milhões de massas solares de estrelas, em comparação com os 60 bilhões de massas solares em nossa Via Láctea. Os pontos amarelos representam as estrelas mais velhas e frias na galáxia, e os pontos azuis mostram as jovens e massivas estrelas em formação pouco antes desta captura instantânea da simulação. A névoa em torno das estrelas mostra a distribuição do gás na galáxia em azul e vermelho que representa temperaturas quentes e frias, respectivamente. Crédito: John Wise.
Um zoom da galáxia anã de maior massa na simulação, vista quando o Universo tinha apenas 700 milhões de anos. Esta galáxia tem apenas 3 milhões de massas solares de estrelas, em comparação com os 60 bilhões de massas solares em nossa Via Láctea. Os pontos amarelos representam as estrelas mais velhas e frias na galáxia, e os pontos azuis mostram as jovens e massivas estrelas em formação pouco antes desta captura instantânea da simulação. A névoa em torno das estrelas mostra a distribuição do gás na galáxia em azul e vermelho que representa temperaturas quentes e frias, respectivamente. Crédito: John Wise.

Pouco depois do Big Bang, o universo foi ionizado: a matéria comum consistia de hidrogênio com seus prótons positivamente carregados desprovidos de seus elétrons carregados negativamente. Eventualmente, o universo esfriou o suficiente para elétrons e prótons se combinarem e formarem hidrogênio neutro. Este gás frio acabou por formar as primeiras estrelas do universo, mas durante milhões de anos não houve nenhuma estrela.

Os astrônomos, no entanto, não são capazes de ver como o cosmos evoluiu durante essa “idade das trevas” utilizando telescópios convencionais. A luz voltou quando as estrelas e galáxias recém-formadas re-ionizaram o universo durante a “época de re-ionização”.


(Vídeo – Esse processamento de volume mostra a re-ionização gradual de um patch típico do universo. As regiões azuis mostram as regiões aquecidas e ionizadas ao redor das galáxias. Elas crescem como as galáxias crescem, eventualmente, se unindo para ionizar completamente o universo. O campo de visão do cubo é de cerca de 200 milhões de anos-luz, e o cálculo mostra o primeiro bilhão de anos do universo. Crédito Simulação: Marcelo Alvarez (CITA), Tom Abel (Stanford). Crédito Visualização: Marcelo Alvarez, Ralf Kaehler (Stanford), Tom Abel)

Os astrônomos concordam que o universo se tornou totalmente re-ionizado cerca de um bilhão de anos após o Big Bang. Cerca de 200 milhões de anos após o nascimento do cosmos, a radiação ultravioleta (UV) das estrelas começou a dividir hidrogênio neutro em elétrons e prótons. Demorou mais 800 milhões de anos para completar o processo em todos os lugares. Esta época de re-ionização marcou a última grande mudança do gás no universo, que continua a ser ionizado, hoje, mais de 12 bilhões de anos depois.

No entanto, os astrônomos não estão de acordo sobre qual tipo de galáxia desempenhou o papel mais importante neste processo. A maioria têm focado em grandes galáxias. O novo estudo realizado por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Georgia e do Centro de Supercomputação de San Diego indica que os cientistas deveriam também focar nas menores.

Os pesquisadores usaram simulações de computador para demonstrar que as galáxias mais fracas e menores no início do universo foram essenciais. Estas pequenas galáxias – apesar de serem 1000 vezes menor em massa e 30 vezes menor em tamanho do que a nossa própria Via Láctea – contribuíram com quase 30% da luz UV durante este processo.


(Vídeo – Uma simulação de galáxia anã 800 milhões anos após o Big Bang. Esse é um giro em torno de uma galáxia anã com uma massa total de 10 bilhões de massas solares (cerca de 1000 vezes menor que a nossa Via Láctea) quando o Universo tinha apenas 800 milhões de anos de idade. A galáxia é vista a partir de 25.000 anos-luz de distância. O brilho do do gás indica que sua densidade corresponde às temperaturas do gás quentes e frias em azul e vermelho, respectivamente. As estrelas são coloridas a partir de suas idades, as estrelas mais velhas estão em amarelo e as mais recentes são mostradas em azul/branco. Crédito: John Wise, Matthew Turk, Michael Norman, Tom Abel)

Outros estudos muitas vezes ignoram essas pequenas galáxias “anãs”, pois não se pensava que elas formavam estrelas, porque a luz UV de galáxias vizinhas maiores era muito forte e suprimia essas pequenas vizinhas.

“Acontece que essas galáxias anãs formavam estrelas, geralmente em uma explosão, cerca de 500 milhões de anos após o Big Bang”, disse o professor John Wise, do Instituto de Tecnologia da Georgia, que liderou o estudo. “As galáxias eram pequenas mas tão abundantes que contribuíram com uma fração significativa de luz UV no processo de re-ionização”.

Simulações da equipe modelaram o fluxo de luz UV estelar através do gás dentro de galáxias nas quais foi formado. Eles descobriram que a fração de fótons ionizantes que escaparam para o espaço intergalático era 50% de pequenas galáxias (mais de 10 milhões de massas solares). Apenas 5% eram de galáxias maiores (300 milhões de massas solares). Esta fração elevada, combinada com sua alta abundância, é exatamente a razão pela qual as galáxias menos luminosas desempenharam um papel fundamental durante a re-ionização.

“É muito difícil para a luz UV escapar de galáxias por causa do gás denso”, disse Wise. “Em pequenas galáxias, há menos gás entre as estrelas, facilitando para a luz UV escapar pois ela não é absorvida tão rapidamente. Além disso, explosões de supernovas podem abrir canais com mais facilidade nestas pequenas galáxias, por onde a luz UV pode escapar”.

Os resultados da simulação da equipe fornecem um cronograma gradual que acompanha o progresso de re-ionização ao longo de centenas de milhões de anos. Cerca de 300 milhões de anos após o Big Bang, o universo estava 20% ionizado. 50% em 550 milhões de anos. O universo simulado foi totalmente ionizado em 860 milhões de anos após a sua criação.


(Vídeo – Re-ionização do universo por galáxias anãs. Uma representação de uma simulação da formação das primeiras galáxias no universo. O campo de visão está ajustado para explicar a expansão do universo, onde a barra de escala representa 32600 anos-luz (10000 parsecs). O vídeo mostra o gás quente e ionizado em azul e o gás frio e neutro em vermelho. A intensidade de cada pixel é definida pela densidade do gás, e as estrelas não são mostradss nesta visualização. O vídeo é de 200 a 800 milhões anos após o Big Bang. Crédito: John Wise, Matthew Turk, Michael Norman, Tom Abel, Britton Smith)

“É uma verdadeira surpresa que essas pequenas galáxias poderiam contribuir tanto para re-ionização”, disse o professor Michael Norman, da Universidade da Califórnia em San Diego e um dos co-autores do trabalho. “Mais uma vez, o supercomputador está nos ensinando algo novo e inesperado, algo que terá de ser levado em consideração em futuros estudos de re-ionização”.

A equipe de pesquisa espera aprender mais sobre estas galáxias tênues quando a próxima geração de telescópios entrar em operação. Por exemplo, o James Webb Space Telescope da NASA, programado para ser lançado em 2018, será capaz de vê-las.

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