Entre as milhares de galáxias brilhantes do cosmos distante que povoam muitas fotos do Telescópio Espacial Hubble, algumas são vazios pontos escuros que podem ser repletos de mais galáxias se pudéssemos vê-los. Agora, os astrônomos tomaram um outro olhar para essas zonas vazias e viram uma luz fraca de estrelas formadas apenas 500 milhões de anos após o Big Bang. Os novos resultados sugerem que esta luz vinha de algumas das primeiras galáxias já formadas, que podem ser 10 vezes mais numerosas do que se pensava anteriormente
A medida que fotógrafos montam um portfólio de melhores fotos, os astrônomos têm montado um novo e melhorado retrato da mais profunda imagem do universo jamais vista pela humanidade. Crédito: NASA, ESA, G. Illingworth, D. Magee, e P. Oesch (Universidade da Califórnia, Santa Cruz), R. Bouwens (Universidade de Leiden), ea equipe da HUDF09
Esta chamada “luz extragaláctica de fundo” provavelmente data de cerca de 250 milhões de anos após o Big Bang. Logo após o nascimento do universo, o espaço foi preenchido com uma névoa quente e densa de gás ionizado. Mas ao longo de centenas de milhares de anos, o gás foi expandido e resfriado, permitindo que nuvens gigantes de hidrogênio e hélio entrassem em colapso e formassem as primeiras estrelas. Desde que estas primeiras estrelas surgiram, sua luz e toda a luz de gerações sucessivas de estrelas tem preenchido o Universo, criando um brilho difuso ao longo das profundezas mais obscuras de espaço.
Embora a radiação de fundo extragaláctica seja árdua para detectar de forma conclusiva, a luz vista nas fotos do Hubble parece ser a luz de fundo mais distante já vista. Usando dados da Cosmic Assembly Near-Infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS) e a Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS), a equipe foi capaz de separar a luz das estrelas e galáxias posteriores, isolando a luz das primeiras estrelas.
O estudante de graduação Ketron Mitchell-Wynne, da Universidade da Califórnia, Irvine, e seus colegas observaram flutuações na intensidade dos pixels aparentemente escuros e vazios em fotos tiradas do Hubble de 2002 a 2012 para medir a primeira luz indescritível. As flutuações ajudaram-os a determinar estatisticamente que estavam vendo um sinal fraco associado com as primeiras estrelas e não apenas ruído. Eles, então, subtraíram qualquer luz adicionada pelas estrelas dentro de nossa galáxia, a luz adicionado pelas galáxias próximas, e até mesmo a luz adicionada pelas estrelas desonestas que foram arrancadas de suas galáxias hospedeiras e agora ocupam o espaço intergaláctico, até que ficassem com a luz exclusivamente a partir de início do universo.
“Realmente é um esforço heroico trazer à tona esse sinal”, diz Pascal Oesch da Universidade de Yale, que não estava envolvido com o estudo.
A equipe calculou que há apenas uma chance de 0,8 por cento que sua medição esteja contaminado por luz de não-fundo. Para iniciar, as antigas estrelas são radicalmente diferente das estrelas que observamos hoje. Criadas a partir de apenas hidrogênio e hélio, elas tinham centenas de vezes a massa do Sol, eram mais brilhante e morriam mais rápido do que estrelas no universo próximo. “Pode ter havido um flash, quando essas primeiras estrelas e galáxias se formaram e, em seguida, queimaram muito rápido”, diz o co-autor Matthew Ashby a partir do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica. “Se nós pudermos quebrar essa luz de fundo extragaláctica, então devemos ver o eco de que o flash”.
A equipe essencialmente viu este eco, mas só pode-se dizer que ele ocorreu nos primeiros 500 milhões de anos – coisa que poucos astrônomos já sabiam. Eles querem apontar o momento mais preciso porque estas estrelas massivas adiantadas mudaram drasticamente o destino do universo. Seus raios ultravioletas aqueciam o espaço circundante, eliminando de bolhas de gás no qual a energia dos raios retiravam todos os átomos de hidrogênio dos seus elétrons, convertendo-os a partir de átomos neutros de íons. Eventualmente, as bolhas cresceram e se uniram até que todo o universo fosse ionizado novamente, combinando seu estado após o Big Bang. Desde então, o universo manteve-se ionizado.
“Se nós descobríssemos que as galáxias não foram suficientes para fazer a reionização, então nós teríamos que ter outra explicação” diz Coe. Afinal, há 20 anos atrás, os astrônomos pensavam que núcleos galácticos ativos — brilhantes balizas criadas por buracos negros supermassivos engolindo material — produziu luz suficiente para reionizar o universo. A teoria não deu certo, e os astrônomos mudaram para um próximo melhor palpite: galáxias. O mesmo cenário pode acontecer de novo, diz Coe, e desta vez talvez realmente será algo exótico, como partículas de matéria escura. Talvez quando estas partículas mal compreendidas colidirem, elas liberariam energia e essa energia seria suficiente para reionizar o Universo. Coe tem o cuidado de dizer, no entanto, que todas as linhas de evidência ainda apontam na direção de galáxias.
Novas pistas virão quando o Telescópio Espacial James Webb for lançado em 2018. De fato, a força da luz de fundo extragaláctica recém-detectada demonstra que o futuro observatório orbital deve ser capaz de detectar algumas das primeiras galáxias atualmente à espreita nessas tentadoras manchas escuras de espaço.
Scientific American