Finalmente descobrimos como as luzes se acenderam no início do Universo.

Descobertas recentes com o Telescópio Espacial Hubble e o Telescópio Espacial James Webb (JWST) estão a aproximar os astrónomos de uma resposta para uma pergunta antiga: o que, afinal, “acendeu” o Universo na aurora cósmica?

Um estudo publicado em fevereiro de 2024 aponta que os fótons livres que começaram a atravessar o espaço intergaláctico não vieram, principalmente, de fontes gigantescas e raras, mas de pequenas galáxias anãs que se tornaram ativamente luminosas e ajudaram a dissipar a “neblina” de hidrogénio que dominava o cosmos nessa época.

“Esta descoberta revela o papel crucial desempenhado por galáxias ultra-fracas na evolução do Universo primordial”, afirmou a astrofísica Iryna Chemerynska, do Instituto de Astrofísica de Paris.

Ela explica que essas galáxias emitem fótons ionizantes, capazes de transformar o hidrogénio neutro em plasma ionizado durante a reionização cósmica - e que, por isso, compreender galáxias de baixa massa é essencial para reconstruir a história do Universo.

Da escuridão inicial à aurora cósmica

Nos primeiros minutos após o Big Bang, o espaço estava preenchido por um “nevoeiro” quente e denso de plasma ionizado. Qualquer luz existente praticamente não avançava: os fótons colidiam e se espalhavam ao encontrar eletrões livres, deixando o Universo efetivamente escuro.

Com o arrefecimento do cosmos, cerca de 300 mil anos depois, protões e eletrões começaram a se combinar, formando hidrogénio neutro (e uma pequena fração de hélio). Esse meio neutro já era bem mais transparente para a maioria dos comprimentos de onda - mas havia um problema: quase não existiam fontes de luz para iluminar o cenário.

Ainda assim, foi desse hidrogénio e hélio que surgiram as primeiras estrelas. A radiação dessas estrelas iniciais era intensa o suficiente para arrancar eletrões dos átomos e reionizar o gás. Nessa fase, porém, o Universo já tinha se expandido tanto que a matéria estava mais difusa e já não conseguia “segurar” a luz: a radiação passou a escapar e viajar pelo espaço.

Por volta de 1 bilhão de anos após o Big Bang, ao final do período conhecido como aurora cósmica, o Universo estaria totalmente reionizado. Em termos simples: as “luzes” ficaram definitivamente acesas.

O que estava a limpar a neblina? A aposta mudou

Observar a aurora cósmica é difícil porque ela é distante no tempo, muito ténue e envolta por material que obscurece a visão. Por isso, durante muito tempo, a hipótese dominante era que a maior parte do “trabalho pesado” de limpar o meio intergaláctico teria vindo de fontes mais poderosas, como:

• buracos negros massivos, cujo material em acreção produz brilho intenso;
• galáxias grandes em forte formação estelar (estrelas recém-nascidas emitem muita radiação ultravioleta).

O JWST foi concebido, em parte, para espreitar justamente essa época e revelar o que estava escondido. E as observações vêm a surpreender: em vez de poucos faróis colossais, o que parece dominar é um exército de objetos pequenos - galáxias anãs - a produzir radiação ionizante em escala coletiva.

Aurora cósmica, reionização cósmica e galáxias anãs: a pista em Abell 2744

Uma equipa internacional liderada pelo astrofísico Hakim Atek, também do Instituto de Astrofísica de Paris, analisou dados do JWST sobre o enxame de galáxias Abell 2744, com apoio de observações do Hubble.

Abell 2744 é tão massivo e concentrado que deforma o espaço-tempo à sua volta, funcionando como uma lente gravitacional. Na prática, isso amplia a luz de objetos muito distantes que passa por essa região, permitindo ver galáxias que, de outra forma, seriam pequenas e fracas demais para detectar - incluindo galáxias anãs próximas à aurora cósmica.

Em seguida, a equipa usou o JWST para obter espectros detalhados dessas galáxias diminutas. A análise indicou dois resultados centrais:

• além de serem o tipo de galáxia mais comum no Universo primordial, essas galáxias anãs são muito mais brilhantes do que se esperava;
• a sua contribuição conjunta para a radiação ionizante é enorme.

De acordo com o estudo, as galáxias anãs seriam cerca de 100 vezes mais numerosas do que galáxias grandes nessa época, e a produção coletiva de radiação ionizante alcançaria aproximadamente quatro vezes o valor frequentemente atribuído às galáxias maiores.

“Essas potências cósmicas, em conjunto, emitem energia mais do que suficiente para cumprir a tarefa”, disse Atek.

“Apesar do tamanho minúsculo, essas galáxias de baixa massa produzem radiação energética em grande quantidade, e a sua abundância nesse período é tão expressiva que o efeito coletivo pode transformar o estado do Universo inteiro.”

Por que lentes gravitacionais são tão valiosas nesse tipo de estudo

Mesmo com a sensibilidade do JWST, muitos objetos na aurora cósmica estão no limite do detetável. As lentes gravitacionais ajudam porque funcionam como um “zoom natural”, aumentando o brilho aparente e a escala angular de galáxias muito distantes. Isso não substitui o telescópio - mas multiplica a capacidade de encontrar e caracterizar populações galácticas que, sem essa amplificação, permaneceriam invisíveis.

Próximos passos: confirmar se a amostra representa o Universo primordial

Embora seja a evidência mais forte até agora para o motor da reionização, os autores ressaltam que ainda é cedo para declarar o caso encerrado. A equipa examinou apenas uma pequena região do céu e precisa garantir que o conjunto observado não seja um caso fora da curva - por exemplo, um local com uma concentração atípica de galáxias anãs.

O plano é investigar mais regiões com lentes gravitacionais para ampliar a amostragem e verificar se o padrão se repete em diferentes campos. Mesmo assim, os resultados já animam porque a reionização é uma questão perseguida há décadas: entender quem produziu os fótons ionizantes é, em grande parte, entender como o Universo passou da opacidade para a transparência.

“Agora entrámos num território inexplorado com o JWST”, afirmou o astrofísico Themiya Nanayakkara, da Universidade de Tecnologia de Swinburne, na Austrália.

“Este trabalho abre ainda mais perguntas empolgantes que precisamos responder ao tentar mapear a história evolutiva das nossas origens.”

A pesquisa foi publicada na revista Nature.

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