JWST revela que galáxias anãs iluminaram o Universo primitivo

Finalmente, sabemos o que levou luz ao vazio escuro e sem forma do Universo primitivo.

Segundo dados dos telescópios espaciais Hubble e James Webb, os fotões livres da alvorada cósmica tiveram origem em pequenas galáxias anãs que ganharam brilho, dissipando o nevoeiro de hidrogénio turvo que preenchia o espaço intergaláctico. Um novo artigo sobre esta investigação foi publicado em fevereiro.

"Esta descoberta revela o papel crucial desempenhado por galáxias ultraténues na evolução do Universo primitivo", afirmou a astrofísica Iryna Chemerynska, do Institut d'Astrophysique de Paris.

"Produzem fotões ionizantes que transformam o hidrogénio neutro em plasma ionizado durante a reionização cósmica. Isto realça a importância de compreender as galáxias de baixa massa para perceber como foi moldada a história do Universo."

Da névoa primordial à reionização cósmica

Nos primeiros momentos do Universo, poucos minutos após o Big Bang, o espaço encontrava-se preenchido por uma névoa quente e densa de plasma ionizado. A escassa luz existente não conseguiria atravessar essa névoa: os fotões seriam simplesmente dispersos pelos eletrões livres que flutuavam à sua volta, deixando o Universo efetivamente às escuras.

Quando o Universo arrefeceu, cerca de 300 000 anos mais tarde, protões e eletrões começaram a unir-se, formando gás de hidrogénio neutro - e uma pequena quantidade de hélio. A maioria dos comprimentos de onda da luz conseguia atravessar este meio neutro, mas quase não existiam fontes luminosas que a produzissem. Foi, porém, deste hidrogénio e hélio que nasceram as primeiras estrelas.

A radiação emitida por essas primeiras estrelas tinha força suficiente para arrancar eletrões aos seus núcleos e reionizar o gás. Nessa altura, contudo, o Universo já se tinha expandido tanto que o gás era difuso e não conseguia impedir a passagem da luz. Cerca de mil milhões de anos após o Big Bang, no fim do período conhecido como alvorada cósmica, o Universo estava totalmente reionizado. E pronto: as luzes tinham-se acendido.

No entanto, devido à grande opacidade da alvorada cósmica, bem como à sua fraca luminosidade e enorme distância através do tempo e do espaço, tem sido difícil observar o que ali existe. Os cientistas julgavam que as fontes responsáveis pela maior parte dessa limpeza teriam de ser muito poderosas - por exemplo, enormes buracos negros cuja acreção produz luz intensa, ou grandes galáxias num período de formação estelar intensa, já que as estrelas jovens emitem muita luz ultravioleta.

JWST aponta as galáxias anãs como motor da reionização

O JWST foi concebido, em parte, para perscrutar a alvorada cósmica e tentar observar o que nela se esconde. Tem tido muito sucesso, revelando inúmeras surpresas sobre esta fase decisiva da formação do Universo. De forma inesperada, as observações do telescópio indicam agora que as galáxias anãs são o elemento-chave da reionização.

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, complementados por dados do Hubble. Abell 2744 é tão denso que curva o espaço-tempo à sua volta, criando uma lente cósmica; qualquer luz distante que chegue até nós através desse espaço-tempo é ampliada. Isto permitiu aos investigadores observar minúsculas galáxias anãs próximas da alvorada cósmica.

Em seguida, utilizaram o JWST para obter espectros detalhados dessas pequenas galáxias. A análise mostrou que estas galáxias anãs não só são o tipo de galáxia mais abundante no Universo primitivo, como também são muito mais brilhantes do que se esperava. De facto, o estudo da equipa conclui que as galáxias anãs superam as grandes galáxias numa proporção de 100 para 1, e que a sua produção conjunta corresponde a quatro vezes a radiação ionizante habitualmente atribuída às galáxias maiores.

"Estas potências cósmicas emitem, no seu conjunto, energia mais do que suficiente para concluir a tarefa", disse Atek. "Apesar da sua dimensão reduzida, estas galáxias de baixa massa são produtoras prolíficas de radiação energética, e a sua abundância durante este período é tão elevada que a sua influência coletiva pode transformar todo o estado do Universo."

Mais regiões com lentes cósmicas serão estudadas

Esta é, até agora, a melhor evidência da força responsável pela reionização, mas ainda há trabalho a fazer. Os investigadores analisaram uma pequena zona do céu e precisam de confirmar que a amostra não corresponde apenas a um agrupamento anómalo de galáxias anãs, mas que representa toda a população existente na alvorada cósmica.

Pretendem estudar mais regiões do céu onde atuam lentes cósmicas, de modo a obter uma amostra mais ampla das primeiras populações galácticas. Mesmo com esta única amostra, os resultados são extremamente entusiasmantes. Os cientistas procuram respostas sobre a reionização desde que sabem da sua existência. Estamos perto de finalmente dissipar o nevoeiro.

"Entrámos agora em território inexplorado com o JWST", afirmou o astrofísico Themiya Nanayakkara, da Swinburne University of Technology, na Austrália.

"Este trabalho levanta mais questões estimulantes às quais temos de responder nos nossos esforços para traçar a história evolutiva das nossas origens."

A investigação foi publicada na Nature.

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