JWST e Hubble revelam que galáxias anãs impulsionaram a reionização no amanhecer cósmico

Nós finalmente entendemos o que levou luz ao vazio escuro e sem forma do Universo primitivo.

Dados do Telescópio Espacial Hubble e do Telescópio Espacial James Webb (JWST) indicam que os fótons “livres”, que marcaram o início do amanhecer cósmico, vieram de pequenas galáxias anãs que se acenderam e ajudaram a dissipar a névoa de hidrogénio opaco que preenchia o espaço entre as galáxias. Um artigo científico sobre este trabalho foi publicado em fevereiro de 2024.

"This discovery unveils the crucial role played by ultra-faint galaxies in the early Universe's evolution," disse a astrofísica Iryna Chemerynska, do Institut d'Astrophysique de Paris.

"They produce ionizing photons that transform neutral hydrogen into ionized plasma during cosmic reionization. It highlights the importance of understanding low-mass galaxies in shaping the Universe's history."

Do plasma à reionização no amanhecer cósmico

Nos primeiros instantes do Universo, poucos minutos após a Grande Explosão, o espaço era tomado por uma névoa quente e extremamente densa de plasma ionizado. A pouca luz existente não conseguiria atravessar esse “nevoeiro”: os fótons eram desviados ao colidirem com elétrons livres, o que, na prática, deixava o Universo mergulhado na escuridão.

Com a expansão e o arrefecimento do cosmos, cerca de 300.000 anos depois, prótons e elétrons passaram a recombinar-se, formando gás de hidrogénio neutro (e uma pequena fração de hélio).

A maior parte dos comprimentos de onda conseguiria atravessar esse meio neutro - o problema era que quase não havia fontes capazes de produzir luz em quantidade. Ainda assim, foi justamente a partir desse hidrogénio e desse hélio que nasceram as primeiras estrelas.

A radiação dessas estrelas iniciais era suficientemente energética para arrancar elétrons dos núcleos atómicos e voltar a ionizar o gás. Só que, a essa altura, o Universo já tinha aumentado muito de tamanho: o gás estava mais difuso e deixou de impedir que a luz se propagasse.

Por volta de 1 bilhão de anos após a Grande Explosão - já no fim do período conhecido como amanhecer cósmico - todo o Universo estava reionizado. Tcharã: as luzes estavam acesas.

Por que era tão difícil enxergar a origem dessa luz

Mesmo assim, estudar esse capítulo da história cósmica é complicado. O amanhecer cósmico é cheio de “neblina” e, além disso, é fraco e distante demais no tempo e no espaço; por isso, por muito tempo foi difícil observar diretamente o que estava lá.

Diante dessa limitação, muitos cientistas supunham que as principais fontes responsáveis por “limpar” o meio intergaláctico precisariam ser objetos muito poderosos - por exemplo, enormes buracos negros, cuja acreção pode gerar brilho intenso, e grandes galáxias em surto de formação estelar (afinal, estrelas recém-nascidas emitem muita luz ultravioleta).

O JWST foi concebido, em parte, para espreitar o amanhecer cósmico e tentar revelar o que se escondia nessa época crucial da formação do nosso Universo. E ele tem sido particularmente eficaz, trazendo uma sequência de surpresas sobre esse período. De forma inesperada, as novas observações sugerem agora que as galáxias anãs foram as protagonistas da reionização.

JWST, Hubble e o “zoom” gravitacional do aglomerado Abell 2744

Uma equipa internacional liderada pelo astrofísico Hakim Atek, do Institut d'Astrophysique de Paris, recorreu a dados do JWST sobre um aglomerado de galáxias chamado Abell 2744, complementando a análise com observações do Hubble.

O Abell 2744 é tão massivo e compacto que deforma o espaço-tempo ao seu redor, criando uma lente cósmica. A luz muito distante que atravessa essa região chega até nós ampliada - um efeito que permitiu aos investigadores detectar galáxias anãs minúsculas próximas do amanhecer cósmico.

Em seguida, a equipa usou o JWST para obter espectros detalhados dessas pequenas galáxias. A análise mostrou que, além de serem o tipo de galáxia mais abundante no Universo inicial, elas também são muito mais brilhantes do que se esperava.

O que os espectros indicam sobre as galáxias anãs

De acordo com os resultados, as galáxias anãs superam as galáxias grandes numa proporção de 100 para 1, e a sua emissão conjunta corresponde a quatro vezes a radiação ionizante que geralmente se atribui às galáxias maiores.

"These cosmic powerhouses collectively emit more than enough energy to get the job done," afirmou Atek.

"Despite their tiny size, these low-mass galaxies are prolific producers of energetic radiation, and their abundance during this period is so substantial that their collective influence can transform the entire state of the Universe."

Esses dados representam, até agora, a evidência mais forte para identificar a força dominante por trás da reionização - mas o trabalho ainda não terminou. A equipa examinou apenas uma pequena porção do céu; portanto, é necessário confirmar que a amostra não reflete apenas um caso fora do comum, com uma concentração atípica de galáxias anãs, e sim um retrato fiel da população existente no amanhecer cósmico.

Novas lentes cósmicas para ampliar a amostra

Para testar isso, os investigadores pretendem analisar outras regiões do céu onde a lente cósmica também amplifica a luz de galáxias muito antigas, o que permitirá montar um conjunto mais amplo de populações galácticas primordiais. Ainda assim, mesmo com base apenas neste recorte, os achados são extremamente estimulantes. Há décadas os cientistas perseguem respostas sobre a reionização, desde que esse processo passou a ser reconhecido - e agora parece que estamos muito perto de, finalmente, dissipar a névoa.

"We have now entered uncharted territory with the JWST," disse a astrofísica Themiya Nanayakkara, da Swinburne University of Technology, na Austrália.

"This work opens up more exciting questions that we need to answer in our efforts to chart the evolutionary history of our beginnings."

A pesquisa foi publicada na Nature.

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