• Começa com um estrondo

Como “Zelda: Tears of the Kingdom” explica a reionização cósmica

O que os recessos sombrios do universo inicial e Zelda: Tears of the Kingdom têm em comum? Mais do que você jamais poderia ter esperado.

Principais conclusões

• A reionização cósmica é o processo lento e gradual pelo qual os átomos neutros formados no Universo após o Big Bang quente se tornam transparentes à luz, apenas após longos períodos de formação estelar.
• No novo jogo do Nintendo Switch, Zelda: Tears of the Kingdom, há uma extensão subterrânea escura conhecida como 'profundezas', que lembra esse período inicial e sombrio de nosso passado cósmico.
• Embora as formas de iluminar a escuridão de Hyrule envolvam luminosas Brightbloom Seeds e brilhantes Lightroots, a analogia com as primeiras estrelas, galáxias e a reionização da matéria neutra no Universo oferece uma incrível oportunidade educacional.

Ethan Siegel Compartilhe Como “Zelda: Tears of the Kingdom” explica a reionização cósmica no Facebook Compartilhe Como “Zelda: Tears of the Kingdom” explica a reionização cósmica no Twitter Compartilhe Como “Zelda: Tears of the Kingdom” explica a reionização cósmica no LinkedIn

Quando o Universo como o conhecemos começou com o Big Bang quente, ele estava cheio de todos os tipos de partículas energéticas, antipartículas e quanta de radiação: uma sopa primordial do cosmos. Com o tempo, ele se expandiu e esfriou, finalmente tornando-se frio o suficiente para produzir átomos estáveis ​​e neutros após algumas centenas de milhares de anos. Embora as primeiras estrelas e galáxias provavelmente tenham se formado nos primeiros ~ 150 milhões de anos desta história cósmica, o Universo permaneceu em grande parte escuro e opaco à luz até que impressionantes ~ 550 milhões de anos se passariam, já que os átomos neutros formados muito antes são notavelmente eficazes em bloqueando os comprimentos de onda ópticos da luz. É apenas através do processo gradual e lento de reionização cósmica que o Universo se tornou transparente à luz.

Embora novos observatórios como o Telescópio Espacial James Webb (JWST) estejam nos ensinando muito sobre reionização cósmica, há uma analogia notavelmente boa que pode ajudar todos a entendê-la: o mais novo capítulo da série de videogames Legend of Zelda, Lágrimas do Reino . Abaixo do reino principal de Hyrule existe uma extensão subterrânea escura conhecida como “profundezas”, e são exatamente essas profundezas que podem nos ensinar muito sobre o processo de como a reionização cósmica torna o Universo transparente à luz visível.

Embora ainda estejamos tentando entender muitos dos detalhes da história de como o Universo cresceu, os traços gerais já estão muito bem estabelecidos. Sabemos que, depois de partir de um estado quente, denso e quase uniforme, ele se expandiu e esfriou, gravitando ao mesmo tempo. Existem regiões que nascem um pouco mais densas que a média cósmica e regiões que nascem um pouco menos densas que a média. As regiões mais densas, à medida que o Universo evolui, gradualmente atraem mais e mais matéria para si, enquanto as regiões menos densas doam sua matéria para seus arredores relativamente mais densos. Com o tempo, isso leva ao crescimento da estrutura em larga escala: o que eventualmente se tornará estrelas, galáxias e grandes grupos e aglomerados de galáxias, todos unidos.

Mas quando as primeiras estrelas se formam a partir do colapso do gás e da matéria, elas são cercadas por um grande número de átomos neutros em todas as direções. Mesmo que as próprias estrelas, uma vez que tenham iniciado a fusão nuclear em seus núcleos, emitam grandes quantidades de radiação ultravioleta ionizante, simplesmente há muita matéria neutra para que elas perfurem esses arredores escuros. A luz só pode criar uma “bolha” ionizada que se estende por uma certa distância das estrelas, antes que todo o resto seja absorvido — ou, como dizem os astrônomos, extinto — pela matéria neutra no espaço intergaláctico.

Quando Link entra pela primeira vez em uma nova região das profundezas sob Hyrule, tudo está envolto em escuridão. Apenas pequenos pontos de luz, como de Poes e Lightroots que estão suficientemente próximos, são visíveis.

Da mesma forma, quando Link, o protagonista da série Zelda, desce pela primeira vez às profundezas de Hyrule, ele se encontra sozinho em um abismo escuro, onde não consegue ver nada ao seu redor, inclusive as mãos diante de seu próprio rosto. Claro, existem todos os tipos de perigos lá nas profundezas (que, para ser justo, não estão presentes no início do Universo), mas Link tem uma ferramenta fundamental para combater essa escuridão. Um dos primeiros itens que Link encontra e pode coletar é conhecido como Brightbloom Seeds, e eles vêm em duas variedades: normal e gigante.

A localização inicial de Link pode ser considerada análoga à localização da primeira região do espaço que se torna gravitacionalmente densa o suficiente para formar estrelas pela primeira vez, e as Brightbloom Seeds se comportam como aquelas primeiras estrelas luminosas massivas. Embora eles só possam iluminar uma curta distância ao redor de Link, esta é uma analogia perfeita para o Universo primitivo, já que esta matéria neutra que bloqueia a luz mantém tudo obscuro além dessas pequenas bolhas reionizadas onde a luz ultravioleta expulsou os elétrons dessas pequenas bolhas reionizadas. bloqueando átomos neutros.

A impressão de um artista do ambiente no Universo primordial depois que os primeiros trilhões de estrelas se formaram, viveram e morreram. Embora existam fontes de luz no Universo primitivo, a luz é rapidamente absorvida pela matéria interestelar/intergaláctica até que a reionização esteja completa. Enquanto o JWST está trabalhando para revelar evidências dessas estrelas iniciais, ele só é capaz de revelar as galáxias cuja luz não foi completamente extinta pela matéria neutra intermediária.

Existem dois caminhos disponíveis para Link depois que ele desce às profundezas e explora o que está ao seu redor pela primeira vez.

1. Ele é livre para deixar as profundezas a qualquer momento, simplesmente transportando-se de volta para Hyrule continental (ou para o céu).
2. Ou, alternativamente, Link pode continuar explorando as profundezas até encontrar uma luz gigante esperando para ser ativada: uma estrutura conhecida como Lightroot.

Se Link deixar as profundezas, ele descobrirá que, quando retornar às profundezas mais tarde, todas as regiões que ele havia iluminado anteriormente plantando sementes normais e gigantes de Brightbloom voltaram a ficar escuras novamente. Todas as Brightbloom Seeds que foram plantadas anteriormente agora se foram, sem deixar vestígios.

Para as primeiras estrelas que se formam no Universo, este é um análogo perfeito. Se você tem uma região do espaço, no início, onde as estrelas primeiro se formam e então a formação estelar cessa, os átomos circundantes que foram ionizados não foram 'explodidos' no abismo do espaço intergaláctico, mas permaneceram ionizados: com núcleos atômicos nus núcleos e elétrons livres flutuando. Uma vez que a maior parte dessa luz ultravioleta desaparece – o que deve acontecer quando as estrelas mais massivas e de vida curta mais ricas em ultravioleta ficam sem combustível e morrem – esses núcleos e elétrons se encontram novamente, recombinando-se em átomos neutros mais uma vez. Embora um “núcleo” menor de estrelas de vida longa ainda deva sobreviver, impedindo que a região se torne completamente neutra, a maior parte do que foi iluminado anteriormente pode retornar à escuridão exatamente dessa maneira.

Uma Brightbloom Seed, quando plantada no solo nas profundezas abaixo de Hyrule em Tears of the Kingdom, criará uma região ao redor da semente iluminada, dissipando a escuridão por um certo raio. Para iluminar uma região maior permanentemente, é preciso ativar um Lightroot.

No entanto, Link também encontrará, à espreita nas profundezas de Hyrule, artefatos conhecidos como Lightroots. Esses Lightroots, quando você os ativa, se comportam como luzes poderosas e sustentadoras; eles iluminam a escuridão de uma grande região centralizada onde estão localizados. Ele substitui quaisquer sementes de Brightbloom em sua localização e simplesmente explode a escuridão inteiramente para uma grande região aproximadamente esfericamente simétrica ao redor deles. Link pode até se aventurar na escuridão longe do Lightroot por uma boa distância e ainda ter o Lightroot iluminado visível. E, ao se transportar e retornar, Link descobre que a luz do Lightroot permanece inalterada com o tempo.

Há uma analogia para isso também na cosmologia: um Lightroot é como uma brilhante e massiva galáxia inicial que continua a crescer e formar estrelas brilhantes continuamente, durante longos períodos de tempo. Essas fontes brilhantes de luz emitem grandes quantidades de radiação em todo o espectro eletromagnético, inclusive no ultravioleta, e essa saída permanece inalterada ou até cresce com o tempo, como se pensa que muitas regiões formadoras de estrelas no Universo primitivo fazem. Isso acaba criando uma grande “bolha” sustentada de material ionizado ao seu redor, e essas bolhas continuam a crescer mesmo quando o próprio Universo se expande. É apenas além das bordas dessas bolhas que mais átomos neutros bloqueadores de luz podem ser encontrados, com a bolha continuando a se expandir lentamente enquanto o Universo continua a se expandir e evoluir.

Somente porque esta galáxia distante, GN-z11, está localizada em uma região onde o meio intergaláctico é principalmente reionizado, o Hubble foi capaz de revelá-la para nós no momento. Outras galáxias que estão nessa mesma distância, mas não estão ao longo de uma linha de visão casualmente maior do que a média no que diz respeito à reionização, só podem ser reveladas em comprimentos de onda mais longos.

Mas o que acontece se Link estiver longe de um Lightroot ativado e olhar para trás em sua direção? As duas maneiras de descobrir, em Lágrimas do Reino , é fazer Link viajar, a pé, para uma região bem fora da bolha iluminada pelo Lightroot ou, depois de deixar as profundezas, descer de volta a ela em um local diferente. Se você desviar o olhar da direção do Lightroot iluminado, como seria de esperar, tudo parece escuro novamente. No entanto, dependendo de quão longe Link está do(s) Lightroot(s) que foi/foram ativado(s), quando ele olha para trás na direção do Lightroot, ele pode ser capaz de ver onde ele está e quais são suas propriedades. Quanto mais longe ele está dele na escuridão, mais fraco ele parece e mais difícil é distinguir.

Isso é algo que nós também notamos, quando observamos objetos presentes no Universo ultra-distante, quando aquela matéria neutra que bloqueia a luz ainda está presente. Nossa capacidade de ver esses objetos luminosos, mesmo que sejam intrinsecamente muito brilhantes, depende de quão espesso é o véu de matéria neutra que bloqueia a luz entre nós ao longo de nossa linha de visão. Alguns dos objetos mais brilhantes e distantes que já foram vistos são observáveis ​​apenas pelo JWST, que é otimizado para ver a luz infravermelha, mas alguns desses objetos ainda estão ao alcance de nossos poderosos telescópios ópticos, como o Hubble. Essa matéria neutra que bloqueia a luz só é capaz de absorver parcialmente a luz ao longo de sua jornada, e é a quantidade total de matéria neutra entre uma fonte luminosa e nós mesmos - o eventual observador - que determina a gravidade da extinção dessa luz.

Cada Lightroot ativado, representado pelos diamantes azuis no mapa, iluminará a escuridão ao seu redor por uma grande distância. Se vários Lightroots adjacentes forem ativados, como mostrado aqui, a porção iluminada das profundezas será maior do que se qualquer Lightroot fosse ativado, individualmente, por conta própria.

Ao longo de uma aventura típica, Link descerá às profundezas em uma variedade de locais, plantando Brightbloom Seeds e Giant Brightbloom Seeds onde quer que a escuridão esteja presente, até que ele alcance e ative as Lightroots onde as encontrar, que então dissipam a escuridão. em torno deles. Mas, como Link só pode estar em um lugar por vez, esses “blips” de luz que aparecem e dissipam a escuridão ao redor aparecem em aglomerados e aglomerados. Primeiro, a luz ilumina a escuridão em um lugar, depois nas proximidades em outros lugares, e então, separadamente (após Link deixar as profundezas), em outro lugar: onde quer que Link desça nas profundezas a seguir.

Com o tempo, isso acaba criando uma estrutura de luz de “queijo suíço” nas profundezas, com a luz dos Lightroots adjacentes se unindo para se tornar mais forte do que qualquer Lightroot seria independentemente. A ativação de vários Lightroots próximos ilumina ainda mais os arredores perto de todos eles, muitas vezes trazendo a luz para regiões que não se poderia esperar. Se houver regiões escuras de difícil acesso ou Lightroots não ativados cercados por Lightroots ativos, essas regiões podem permanecer escuras mesmo que seus arredores tenham sido iluminados por um longo tempo. Essas regiões escuras podem persistir mesmo em estágios muito avançados do jogo.

As primeiras estrelas do Universo serão cercadas por átomos neutros de (principalmente) gás hidrogênio, que absorve a luz das estrelas. À medida que mais gerações de estrelas se formam, o universo torna-se gradualmente reionizado, permitindo-nos ver completamente a luz das estrelas e investigar as propriedades subjacentes dos objetos observados. No entanto, em regiões distantes das fontes de luz estelar, os átomos neutros podem persistir por tempos cósmicos mais longos do que a média.

Embora muitas vezes haja estrelas se formando em várias regiões do espaço simultaneamente dentro do Universo em expansão, a estrutura do “queijo suíço” que aparece durante a reionização é extremamente análoga a como as profundezas se tornam iluminadas ao longo do tempo em Lágrimas do Reino . Onde quer que as estrelas se formem e continuem se formando, geralmente crescendo por meio de fusões e acreções em galáxias, essas bolhas reionizadas aparecem. Mesmo que o Universo esteja se expandindo, essas bolhas também estão crescendo, e mais – novas – estão aparecendo sempre que a formação estelar é desencadeada a partir de material primitivo pela primeira vez.

Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!

Claro, as profundezas abaixo de Hyrule não se expandem, então temos que escalar a expansão se quisermos comparar os dois cenários, mas encontramos as mesmas características gerais.

• Onde duas regiões formadoras de estrelas aparecem próximas uma da outra, suas bolhas reionizadas se sobrepõem, permitindo que os fótons ultravioleta de cada região percorram distâncias maiores, levando a uma bolha cada vez maior envolvendo ambas.
• Onde pequenas bolhas de reionização são ultrapassadas por maiores, a maior domina, mas a pequena ainda contribui um pouco.
• E à medida que novas fontes de luz aparecem, as primeiras bolhas são unidas por bolhas posteriores, eventualmente crescendo tanto que a maioria dos arredores fica iluminada.

No caso do Universo, onde a reionização se completa, o Universo torna-se completamente transparente à luz de todos os comprimentos de onda, incluindo a luz visível.

No entanto, há uma grande e importante diferença entre as profundezas de Hyrule e o Universo reionizante que vai além da necessidade de dimensionar a expansão do Universo e a necessidade de reconhecer que vários eventos “iluminadores” ocorrem simultaneamente em locais diferentes.

Com o tempo, as profundezas de Hyrule tornam-se cada vez mais iluminadas, com os Lightroots mais antigos nunca se desativando enquanto os novos Lightroots são ativados, levando a um mapa completamente iluminado, conduzido exclusivamente pelos Lightroots: as fontes de luz mais brilhantes que existem.

No Universo real, no entanto, não esperamos que seja esse o caso. Considerando que em Lágrimas do Reino , são as Lightroots e não as gigantes ou normais Brightbloom Seeds que acabam iluminando a totalidade das profundezas, no Universo real, é o fluxo total de luz ultravioleta que importa, independentemente de sua fonte. Embora o JWST (e outros observatórios) seja o melhor em revelar as fontes de luz mais brilhantes que existem, espera-se que a esmagadora maioria dos fótons ultravioleta - pelo menos 80% e até 95% - seja produzida por estruturas menores: aglomerados de estrelas e pequenas galáxias, em vez dos gigantes gigantes que produzem a maior quantidade de radiação. Parte dos objetivos científicos do JWST e de outros observatórios modernos é entender precisamente como as galáxias de vários tamanhos e luminosidades chegam a, eventualmente, reionizar totalmente o Universo.

Há mais de 13 bilhões de anos, durante a Era da Reionização, o Universo era um lugar muito diferente. O gás entre as galáxias era amplamente opaco à luz energética, dificultando a observação de galáxias jovens. O Telescópio Espacial James Webb (JWST) está olhando profundamente no espaço para coletar mais informações sobre objetos que existiram durante a Era da Reionização para nos ajudar a entender essa grande transição na história do Universo.

Se alguém jogar Zelda: Tears of the Kingdom de maneira abrangente, poderá encontrar cada Lightroot nas profundezas, o que acabará por revelar todo o mapa subterrâneo. Da mesma forma, se passar um tempo suficiente para que estrelas e galáxias suficientes se formem - levando à emissão de um número suficientemente grande de fótons ultravioleta totais - o Universo eventualmente se torna totalmente reionizado, onde todos os locais e direções se tornam transparentes à luz visível. Leva aproximadamente 550 milhões de anos para que a maioria das regiões do Universo fique livre de átomos neutros que bloqueiam a luz, mas os últimos vestígios de material primitivo, o mais isolado possível das regiões formadoras de estrelas, parecem persistir até aproximadamente 2 bilhões de anos depois. o quente Big Bang.

Embora a reionização seja uma área de estudo difícil para a maioria dos leigos, e até mesmo para alguns profissionais, entender em detalhes, o melhor videogame do ano pode ajudar. Na ciência, como nos videogames e na vida, um mergulho de cabeça na escuridão costuma ser aterrorizante e assustador quando ocorre pela primeira vez. No entanto, se você passar bastante tempo lá embaixo, frequentemente descobrirá que existem luzes a serem encontradas e elas virão para iluminar sua compreensão de tudo o que está acontecendo ao seu redor. Lembre-se que as profundezas do Lágrimas do Reino são apenas uma analogia e aprenda onde a analogia se afasta do próprio Universo, e você pode descobrir que sua compreensão de como o Universo se torna transparente à luz está mais acessível do que nunca.

Compartilhar: