Nos primeiros tempos, o Universo era um lugar praticamente sem luz. O espaço estava repleto de hidrogénio neutro que absorvia radiação e havia pouco mais além disso, o que tornava o meio intergaláctico opaco.
A iluminação só começou a dominar quando as primeiras estrelas se acenderam e passaram a banhar o que as rodeava com radiação ultravioleta. Esse período é conhecido como Época da Reionização.
Antes da Reionização: a luz que atravessou a escuridão
Apesar de o gás neutro primordial bloquear a propagação da luz, os astrónomos conseguiram identificar linhas Lyman-alfa em épocas anteriores ao Universo ficar “bem iluminado” durante a Época da Reionização. A origem dessas deteções tem sido uma das questões em aberto mais debatidas: de onde vinha essa emissão que, em princípio, não deveria conseguir escapar?
As emissões Lyman-alfa situam-se no ultravioleta e são produzidas por átomos de hidrogénio quando os eletrões transitam para um estado energético específico. Estas linhas espectrais fazem parte do que os astrónomos designam por floresta de Lyman-alfa.
A floresta corresponde a uma sequência de linhas de absorção associadas ao hidrogénio ao longo da linha de visão para objetos astronómicos muito distantes. À medida que a luz atravessa nuvens de gás com diferentes desvios para o vermelho, formam-se múltiplas assinaturas Lyman-alfa, compondo o padrão “em floresta”.
“Explicar a deteção surpreendente de Lyman-alfa nestas galáxias tão precoces é um grande desafio para os estudos extragalácticos”, escrevem os autores de uma investigação recente.
Emissões Lyman-alfa e o Telescópio Espacial James Webb (JWST): uma nova peça no puzzle
O estudo foi publicado na Nature Astronomy com o título “Decifrar a emissão Lyman-alfa em plena época de reionização”. O autor principal é Callum Witten, investigador no Instituto Kavli de Cosmologia da Universidade de Cambridge, no Reino Unido.
Segundo Witten, numa nota à imprensa, um dos aspetos mais desconcertantes das observações anteriores era a deteção de luz proveniente de átomos de hidrogénio num Universo muito jovem - luz essa que deveria ter sido totalmente bloqueada pelo gás neutro “pristino” formado após o Big Bang. Ao longo do tempo, foram propostas várias hipóteses para justificar a “fuga” desta emissão considerada difícil de explicar.
Entretanto, entrou em cena um novo protagonista cosmológico: o Telescópio Espacial James Webb (JWST).
O JWST foi concebido precisamente para recuar até aos primeiros capítulos da história cósmica. A sua capacidade de detetar fotões emitidos por estrelas nas primeiras galáxias abriu uma nova janela de observação, permitindo seguir a luz antiga até à sua origem graças à combinação de elevada sensibilidade e alta resolução angular.
Um detalhe decisivo: companheiras próximas em galáxias com desvio para o vermelho > 7
Os investigadores tiraram partido de imagens simultaneamente muito sensíveis e de alta resolução obtidas pela Câmara de Infravermelho Próximo (NIRCam) do JWST. No artigo, sublinham um resultado com implicações vastas: todas as galáxias de uma amostra de emissores Lyman-alfa com desvio para o vermelho > 7 apresentam companheiras próximas.
Este ponto é crucial porque muda a leitura do que se estava a observar: em vez de sistemas isolados, muitos dos emissores Lyman-alfa parecem integrar ambientes densos e interativos.
O caso LAE EGSY8p68: quando o JWST vê o que o Hubble não via
As imagens do emissor Lyman-alfa LAE EGSY8p68 obtidas pelo JWST revelam um nível de pormenor superior ao alcançado anteriormente com o Telescópio Espacial Hubble. Onde o Hubble sugeria sobretudo uma galáxia grande, o JWST resolve um conjunto de galáxias menores e mais ténues em redor da galáxia mais brilhante - um cenário mais movimentado, compacto e com intensa formação estelar.
Como referiu o coautor Sergio Martin-Alvarez, da Universidade de Stanford, a mudança é profunda: o que parecia ser um único sistema massivo passa a ser interpretado como um aglomerado de galáxias pequenas em interação, o que altera a compreensão da emissão inesperada de hidrogénio em algumas das primeiras galáxias.
Porque é que as emissões Lyman-alfa conseguiam escapar?
As galáxias do Universo jovem eram fábricas extremamente eficientes de estrelas e, por isso, fontes ricas em emissões Lyman-alfa. Ainda assim, a maior parte dessa radiação deveria ter sido absorvida pelo hidrogénio neutro primordial que preenchia o espaço entre galáxias.
Então, o que significa observar que muitos Emissores Lyman-alfa (LAEs) têm vizinhos muito próximos?
De acordo com os autores, isso indica que fusões galácticas - e a formação estelar abundante que as acompanha - estão por detrás das emissões Lyman-alfa observadas. Uma simulação de fusão galáctica gerou uma imagem sintética do tipo JWST que se assemelha de forma notável à imagem real do telescópio, reforçando a interpretação.
O que mostra a figura do estudo (Witten et al. 2023)
A figura apresentada no trabalho ajuda a compreender os resultados. No painel superior esquerdo e no painel inferior esquerdo surgem duas imagens do LAE EGSY8p68: a de cima foi obtida pelo JWST e a de baixo pelo Hubble. A maior capacidade de resolução do JWST expõe companheiras galácticas próximas que não eram visíveis anteriormente.
Os painéis identificados de b a e correspondem a imagens provenientes de uma simulação de fusão galáctica chamada Azahar. Duas dessas imagens são representações sintéticas do que o JWST veria ao observar uma fusão. Essas duas simulações são muito semelhantes à imagem real do JWST no painel a. No painel e, a cor púrpura representa a densidade das emissões Lyman-alfa.
A simulação Azahar: estrelas, bolhas ionizadas e “canais” de fuga
Para testar a hipótese, os autores recorreram às simulações de fusões e interações galácticas Azahar. Os resultados apontam para dois efeitos que ocorrem à medida que a massa estelar se acumula e as estrelas se formam nestas galáxias iniciais:
- As estrelas produzem emissões Lyman-alfa em grande quantidade.
- A radiação e a atividade associada abrem bolhas e canais de hidrogénio ionizado no meio dominado por hidrogénio neutro que bloqueia a luz.
Essas bolhas e canais funcionam como vias de escape, permitindo que uma parte das emissões Lyman-alfa atravesse o gás neutro opaco e chegue até nós.
O que isto implica para o Universo jovem
O trabalho sugere que existiam mais fusões galácticas no Universo primitivo do que se conseguia identificar antes de o JWST começar a operar. Em conjunto, as fusões, as interações e a formação estelar intensa que desencadeiam explicam tanto a produção das emissões Lyman-alfa como a criação de um caminho para a radiação sair do ambiente denso de hidrogénio neutro que caracterizava o Universo jovem.
Em termos simples: uma taxa elevada de fusões galácticas nos primeiros tempos pode ser a chave para o mistério das emissões Lyman-alfa observadas antes de o cosmos se tornar plenamente transparente.
Contexto adicional: porque é que o desvio para o vermelho > 7 importa?
Observar galáxias com desvio para o vermelho > 7 significa olhar para uma época extremamente remota, quando o Universo tinha apenas uma fração da sua idade atual. Nesses regimes, a própria linha Lyman-alfa, originalmente no ultravioleta, aparece deslocada para comprimentos de onda maiores, tornando-se acessível a instrumentos no infravermelho - precisamente onde o JWST foi otimizado para trabalhar.
Este enquadramento também ajuda a perceber porque é que a resolução e a sensibilidade são tão determinantes: distinguir uma galáxia “única” de um conjunto de componentes em interação pode mudar por completo a interpretação física do que está a permitir a saída das emissões Lyman-alfa.
Próximos passos
A equipa ainda não encerrou a investigação. Estão planeadas observações mais detalhadas de galáxias em diferentes fases de fusão, com o objetivo de refinar e testar ainda mais este cenário explicativo.
Este texto foi publicado originalmente pela Universe Today; consulte o artigo original.
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