Fonte oculta do brilho misterioso no início do universo é finalmente revelada.

O Universo muito jovem era um lugar escuro e inóspito. Quase tudo ali era hidrogénio capaz de bloquear a luz, com pouquíssimos outros elementos misturados.

A claridade só começou a dominar quando as primeiras estrelas “acenderam” e passaram a banhar o espaço ao redor com radiação ultravioleta - um período conhecido como Época da Reionização.

Antes da Reionização: a luz que atravessou a escuridão (Lyman-alfa)

Antes de o Cosmos ficar realmente iluminado, um tipo específico e intrigante de brilho conseguiu cortar a treva: as emissões de Lyman-alfa.

Isso é surpreendente porque, naquele início, a luz deveria ter dificuldade extrema para se propagar através do gás neutro denso e opaco que preenchia o espaço entre as galáxias. Ainda assim, astrónomos identificaram algumas linhas de Lyman-alfa em épocas anteriores a uma reionização ampla - e a origem desse sinal, por muito tempo, permaneceu uma das grandes perguntas em aberto.

As emissões de Lyman-alfa situam-se no ultravioleta e surgem quando átomos de hidrogénio têm os seus eletrões a transitar para um estado energético específico. Essas linhas também se relacionam com o que os astrónomos chamam de floresta de Lyman-alfa: uma sequência de linhas de absorção associadas ao hidrogénio ao longo da linha de visada para objetos distantes. À medida que a luz atravessa nuvens de gás com diferentes desvios para o vermelho, forma-se esse “bosque” de marcas espectrais.

Um desafio central para a astronomia extragaláctica

“Oferecer uma explicação para a surpreendente deteção de Lyman-alfa nessas galáxias tão primordiais é um grande desafio para estudos extragalácticos”, escrevem autores de um novo trabalho.

O estudo foi publicado na revista Astronomia da Nature e apresenta uma possível solução. O artigo chama-se “Decifrando a emissão de Lyman-alfa em pleno interior da época de reionização”. O autor principal é Callum Witten, investigador do Instituto Kavli de Cosmologia, na Universidade de Cambridge (Reino Unido).

Num comunicado à imprensa, Witten resumiu o enigma: uma das questões mais desconcertantes de observações anteriores foi detetar luz de átomos de hidrogénio no Universo muito inicial - luz que, em princípio, deveria ser totalmente bloqueada pelo gás neutro “puro” formado após o Big Bang. Várias hipóteses foram propostas para explicar a “fuga” dessa emissão aparentemente inexplicável.

Telescópio Espacial James Webb e Lyman-alfa: a virada observacional

A grande mudança veio com o Telescópio Espacial James Webb (JWST), concebido justamente para espreitar as primeiras fases do Universo.

Com a capacidade de captar fotões libertados por estrelas nas primeiras galáxias, o JWST abriu uma janela inédita para o passado cósmico. Além de ser extremamente sensível, ele oferece resolução angular suficiente para rastrear a luz antiga até às suas regiões de origem, algo decisivo para testar explicações antes impossíveis.

“Aqui, tiramos proveito único de imagens de alta resolução e alta sensibilidade da Câmara de Infravermelho Próximo do Telescópio Espacial James Webb para mostrar que todas as galáxias, numa amostra de emissores de Lyman-alfa com desvio para o vermelho > 7, têm companheiras próximas”, afirmam os investigadores no artigo - um resultado com implicações enormes.

O caso LAE EGSY8p68: de “uma galáxia” a um conjunto em interação

Imagens do emissor de Lyman-alfa LAE EGSY8p68 obtidas pelo JWST exibem detalhes que observações anteriores do Telescópio Espacial Hubble não conseguiram revelar. Onde antes se via essencialmente uma galáxia brilhante, o JWST resolve um conjunto de galáxias menores e mais ténues ao redor - uma vizinhança muito mais povoada, com intensa formação estelar.

Segundo o coautor Sergio Martin-Alvarez (Universidade de Stanford), a mudança de interpretação é profunda: quando o Hubble apontava para uma galáxia grande isolada, o Webb evidencia um grupo de galáxias menores em interação - e essa nova leitura altera drasticamente a compreensão sobre a emissão inesperada de hidrogénio em parte das primeiras galáxias.

Por que vizinhos importam: fusões galácticas como motor da emissão

As galáxias iniciais foram fábricas eficientes de estrelas e, por isso, fontes abundantes de Lyman-alfa. O problema é que grande parte dessa radiação deveria ser absorvida pelo hidrogénio neutro primordial presente entre galáxias.

Então, o que significa observar que a maioria dos Emissores de Lyman-alfa (LAEs) tem vizinhos muito próximos?

De acordo com os autores, isso aponta para fusões e interações galácticas como a peça que faltava. Nesses encontros, a formação estelar intensifica-se, produzindo mais emissão de Lyman-alfa - e, ao mesmo tempo, alterando o meio ao redor de maneira a facilitar a saída dessa luz.

Simulações Azahar: como abrir caminho no gás neutro

Para testar a hipótese, a equipa recorreu a simulações de fusões e interações galácticas chamadas Azahar. Os resultados indicam que, à medida que a massa estelar se concentra e novas estrelas surgem, ocorrem dois efeitos complementares:

1. Aumento da produção de Lyman-alfa pela atividade estelar.
2. Criação de bolhas e canais de hidrogénio ionizado dentro do hidrogénio neutro opaco, abrindo “corredores” por onde a emissão de Lyman-alfa consegue escapar.

Em outras palavras, as mesmas condições que fazem o sinal ficar forte também ajudam a remover (localmente) o bloqueio que deveria impedir a sua deteção.

Legenda (figura do estudo)

A figura ajuda a visualizar os resultados. Os painéis superior esquerdo e inferior esquerdo mostram duas imagens de LAE EGSY8p68: a de cima obtida pelo JWST e a de baixo pelo Telescópio Espacial Hubble. A maior capacidade de resolução do JWST revela companheiras galácticas próximas que não apareciam com o Hubble. Os painéis b a e vêm da simulação de fusão galáctica Azahar. Duas dessas imagens simuladas representam como o JWST “veria” uma fusão e são muito parecidas com a imagem real do JWST no painel a. Em e, a cor roxa indica a densidade das emissões de Lyman-alfa. (Witten et al., 2023)

O que muda no retrato do Universo jovem

O trabalho sugere que existiam mais fusões galácticas no Universo primordial do que conseguíamos identificar antes da entrada em operação do JWST. Essas interações, ao desencadear formação estelar intensa, seriam responsáveis tanto por gerar a emissão de Lyman-alfa quanto por esculpir um caminho através do hidrogénio neutro denso que dominava o Universo jovem.

Em síntese, a alta taxa de fusões galácticas nos primeiros tempos explicaria a presença aparentemente misteriosa de Lyman-alfa tão cedo na história cósmica.

Implicações: Lyman-alfa como rastreador de ambientes e reionização

Se a emissão de Lyman-alfa aparece preferencialmente em sistemas com vizinhos próximos, ela passa a funcionar não apenas como indicador de formação estelar, mas também como sinal de ambientes dinâmicos - regiões onde interações e fusões estão a remodelar o gás. Isso ajuda a interpretar por que alguns objetos “furam” a opacidade do meio, enquanto outros permanecem invisíveis nesse comprimento de onda.

Além disso, esse cenário reforça a ideia de que a reionização pode ter ocorrido de forma irregular e em manchas, com bolhas ionizadas crescendo em torno de aglomerados de galáxias em interação. Assim, o que vemos como Lyman-alfa detetável pode ser, em parte, um mapa das primeiras “clareiras” abertas no nevoeiro de hidrogénio neutro.

Próximos passos

Os investigadores ainda não consideram o caso encerrado. O plano agora é fazer observações mais detalhadas de galáxias em diferentes estágios de fusão, para refinar a interpretação e compreender melhor como a geometria das interações e a distribuição do gás controlam a fuga de Lyman-alfa.

Este texto é uma versão reescrita e adaptada para o português do Brasil de um conteúdo originalmente publicado pelo portal Universe Today.