O amanhecer cósmico, quando as estrelas se formaram pela primeira vez, ocorreu entre 250 milhões a 350 milhões de anos após o início do universo.

De acordo com um novo estudo liderado por pesquisadores da University College London (UCL) e da Universidade de Cambridge.

A impressão deste artista mostra a evolução do Universo começando com o Big Bang à esquerda seguido pelo aparecimento do Fundo Cósmico de Microondas. A formação das primeiras estrelas encerra a idade das trevas cósmicas, seguida pela formação das galáxias. Crédito da imagem: M. Weiss / Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

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O estudo, publicado nos Avisos Mensais da Royal Astronomical Societ y, sugere que o Telescópio Espacial James Webb da NASA (JWST), com lançamento previsto para novembro, será sensível o suficiente para observar o nascimento de galáxias diretamente.

A equipe de pesquisa liderada pelo Reino Unido examinou seis das galáxias mais distantes atualmente conhecidas, cuja luz levou a maior parte da vida do universo para chegar até nós. Eles descobriram que a distância dessas galáxias da Terra correspondia a um tempo de “olhar para trás” de mais de 13 bilhões de anos atrás, quando o universo tinha apenas 550 milhões de anos.

Analisando imagens dos telescópios espaciais Hubble e Spitzer, os pesquisadores calcularam a idade dessas galáxias entre 200 e 300 milhões de anos, permitindo uma estimativa de quando suas estrelas se formaram pela primeira vez.

Imagem colorida do aglomerado de galáxias usada para detectar uma das seis galáxias, MACS0416-JD, examinada em um estudo conduzido por pesquisadores da University College London e da University of Cambridge. Esta galáxia tem uma idade estimada de 351 milhões de anos, o que significa que esta galáxia foi formada 178 milhões de anos após o Big Bang. A massa estelar desta galáxia é um bilhão de vezes a massa do Sol. Este objeto é atualmente a galáxia mais distante detectada pelo ALMA. Crédito: ESA / Hubble, NASA, HST Frontier Fields

O autor principal, Dr. Nicolas Laporte (Universidade de Cambridge), que iniciou o projeto enquanto estava na UCL, disse: “Os teóricos especulam que o universo era um lugar escuro nas primeiras centenas de milhões de anos, antes da formação das primeiras estrelas e galáxias.

“Testemunhar o momento em que o universo foi banhado pela luz das estrelas é uma grande busca na astronomia.

“Nossas observações indicam que o amanhecer cósmico ocorreu entre 250 e 350 milhões de anos após o início do universo e, no momento de sua formação, galáxias como as que estudamos teriam sido suficientemente luminosas para serem vistas com o Espaço James Webb Telescópio."

Os pesquisadores analisaram a luz das estrelas das galáxias conforme registrado pelos telescópios espaciais Hubble e Spitzer, examinando um marcador em sua distribuição de energia indicativo da presença de hidrogênio atômico¹ em suas atmosferas estelares. Isso fornece uma estimativa da idade das estrelas que contêm.

O vídeo mostra a formação e evolução das primeiras estrelas e galáxias em um universo virtual semelhante ao nosso. A simulação começa um pouco antes do amanhecer cósmico, quando o universo está desprovido de luz estelar, e vai até a época de 550 milhões de anos após o Big Bang, quando as seis galáxias analisadas pelo Dr. Laporte e seus colegas estão observado-as. A idade do universo em milhões de anos é mostrada no canto superior esquerdo. A inserção se concentra na evolução de uma galáxia semelhante àquelas no recente estudo observacional. As regiões roxas exibem a distribuição filamentar do gás, composta principalmente de hidrogênio. As regiões brancas representam a luz das estrelas e as regiões amarelas representam a radiação energética das estrelas mais massivas, que é capaz de ionizar o gás hidrogênio circundante. À medida que estrelas massivas alcançam rapidamente o final de sua vida, elas irrompem em violentas explosões de supernovas que expelem o gás circundante, permitindo o escape dessa radiação energética. Galáxias como a mostrada continuamente agregam material de sistemas menores próximos e rapidamente se reúnem para formar as galáxias mais substanciais observadas pelo Telescópio Espacial Hubble em tempos posteriores. Crédito: Dr. Harley Katz, Beecroft Fellow, Departamento de Física, University of Oxford

Esta assinatura de hidrogênio aumenta em força com o envelhecimento da população estelar, mas diminui quando a galáxia tem mais de um bilhão de anos. A dependência da idade surge porque as estrelas mais massivas que contribuem para este sinal queimam seu combustível nuclear mais rapidamente e, portanto, morrem primeiro.

O co-autor, Dr. Romain Meyer (UCL Physics & Astronomy e Max Planck Institute for Astronomy em Heidelberg, Alemanha) disse: “Este indicador de idade é usado para datar estrelas em nossa própria vizinhança na Via Láctea, mas também pode ser usado para datar galáxias extremamente remotas, vistas em um período muito inicial do universo.

“Usando este indicador, podemos inferir que, mesmo nesses primeiros tempos, nossas galáxias têm entre 200 e 300 milhões de anos.”

Ao analisar os dados do Hubble e do Spitzer, os pesquisadores precisaram estimar o “redshift” de cada galáxia, o que indica sua distância cosmológica e, portanto, o tempo de retrospecto em que estão sendo observados. Para conseguir isso, eles realizaram medições espectroscópicas usando o arsenal completo de poderosos telescópios terrestres - o Chileno Atacama Large Millimeter Array (ALMA), o European Very Large Telescope, os telescópios gêmeos Keck no Havaí e o telescópio Gemini-South.

Essas medições permitiram à equipe confirmar que olhar para essas galáxias correspondia a olhar para trás, a uma época em que o universo tinha 550 milhões de anos.

Still de um vídeo mostrando a formação e evolução das primeiras estrelas e galáxias em um universo virtual semelhante ao nosso. Crédito: Dr. Harley Katz, Beecroft Fellow, Departamento de Física, University of Oxford

O co-autor, Professor Richard Ellis (UCL Física e Astronomia), que rastreou galáxias cada vez mais distantes ao longo de sua carreira, disse: “Na última década, os astrônomos empurraram para trás as fronteiras do que podemos observar até uma época em que o universo era apenas 4% de sua idade atual. No entanto, devido à transparência limitada da atmosfera da Terra e às capacidades dos telescópios espaciais Hubble e Spitzer, atingimos nosso limite.

“Agora esperamos ansiosamente o lançamento do Telescópio Espacial James Webb, que acreditamos ter a capacidade de testemunhar diretamente o amanhecer cósmico.

“A busca para ver este momento importante na história do universo tem sido um santo graal na astronomia por décadas. Uma vez que somos feitos de material processado em estrelas, esto é, em certo sentido, a busca por nossas próprias origens.”²

O novo estudo envolveu astrônomos da Universidade da Califórnia-Santa Cruz, da Universidade da Califórnia e da Universidade do Texas.

Os pesquisadores receberam apoio da Fundação Kavli, do Conselho Europeu de Pesquisa, da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA) e da Fundação Nacional de Ciência (NSF) dos Estados Unidos.

O telescópio espacial James Webb, liderado pela NASA, o sucessor do observatório Hubble, está programado para ser lançado ao espaço em novembro. Será o principal observatório na próxima década, servindo milhares de astrônomos em todo o mundo. Consiste em um observatório infravermelho, um imenso espelho de 6,5 metros de largura e uma proteção solar em forma de diamante. Cientistas da UCL no Laboratório de Ciência Espacial Mullard construíram e testaram componentes de hardware chave para o NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), um dos quatro instrumentos do telescópio.

1 O hidrogênio atômico é o hidrogênio que não foi dividido em prótons e elétrons.

2 Todos os elementos mais pesados do universo, tudo exceto hidrogênio, hélio e lítio, são sintetizados em estrelas e então semeados em todo o universo quando as estrelas explodem no final de suas vidas. Isso inclui os elementos que constituem os humanos - o cálcio em nossos ossos, o ferro em nosso sangue.

Mais informações:

“Probing cosmic dawn: Ages and star formation histories of candidate z = 9 galaxies” by N Laporte, R A Meyer, R S Ellis, B E Robertson, J Chisholm and G W Roberts-Borsani, 24 June 2021, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stab1239: DOI: 10.1093 / mnras / stab1239

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Referência:

Witnessing Cosmic Dawn – 250 Million to 350 Million Years After the Beginning of the Universe. SciTechDaily, 25, jun. 2021. Disponível em: <https://scitechdaily.com/witnessing-cosmic-dawn-250-million-to-350-million-years-after-the-beginning-of-the-universe/>. Acesso em: 25, jun. 2021.

First Generation of Stars Emerged 250-350 Million Years after Big Bang, Astronomers Say. Sci-News, 24, jun. 2021. Disponível em: <http://www.sci-news.com/astronomy/first-generation-stars-big-bang-09796.html>. Acesso em: 25, jun. 2021.