As primeiras evidências de estrelas quebram o recorde do Hubble e apontam para a matéria escura

A concepção de um artista de como o Universo pode se parecer ao formar estrelas pela primeira vez. Embora ainda não tenhamos uma imagem direta, as novas evidências indiretas da radioastronomia apontam para a existência dessas estrelas quando o Universo tinha entre 180 e 260 milhões de anos. (NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC))



A descoberta indireta foi completamente inesperada e, se persistir, poderia dar ao Telescópio Espacial James Webb seu primeiro alvo tentador.


Na busca para entender nosso Universo e a história de onde viemos em uma escala cósmica, duas das questões mais importantes são do que o Universo é feito e como as primeiras estrelas se formaram. Essas são questões relacionadas, já que você só pode formar estrelas se tiver matéria suficiente para colapsar gravitacionalmente e, mesmo assim, a matéria precisa ser densa o suficiente e fria o suficiente para que esse processo funcione. As primeiras estrelas que já detectamos diretamente vêm da imagem do Telescópio Espacial Hubble de a galáxia ultra-distante GN-z11 , cuja luz nos vem de quando o Universo tinha apenas 400 milhões de anos: 3% de sua idade atual. Hoje, após dois anos de cuidadosa análise, um estudo de Judd D. Bowman e colaboradores foi publicado na Nature, anunciando uma detecção indireta da luz das estrelas de quando o Universo tinha apenas 180 milhões de anos, onde os detalhes suportam a existência e a presença de matéria escura.



Diagrama esquemático da história do Universo, destacando a reionização. Antes da formação de estrelas ou galáxias, o Universo estava cheio de átomos neutros que bloqueiam a luz. Enquanto a maior parte do Universo não se torna reionizada até 550 milhões de anos depois, algumas regiões afortunadas são reionizadas em épocas muito anteriores. (S.G. Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center)



Ver as primeiras estrelas é uma tarefa complicada, já que uma série de fatores está trabalhando contra você. Por um lado, o Universo está se expandindo, o que significa que mesmo a luz ultravioleta mais energética emitida pelas estrelas tem seu comprimento de onda esticado à medida que o tecido do espaço se estende. À medida que essa luz viaja para a Terra, ela é deslocada para o visível, infravermelho próximo e, eventualmente, para o infravermelho médio antes de chegar aos nossos olhos, tornando-a invisível para a maioria dos telescópios. Por outro lado, o Universo está cheio de átomos neutros nos primeiros tempos, o que significa que absorve (e é opaco) a luz das estrelas. É apenas a exposição contínua a fótons energéticos e ionizantes que permite que o Universo se torne transparente. Essa combinação de efeitos já significa Hubble nunca pode ver as primeiras estrelas .

As primeiras estrelas do Universo serão cercadas por átomos neutros de (principalmente) gás hidrogênio, que absorve a luz das estrelas. O hidrogênio torna o Universo opaco ao visível, ultravioleta e uma grande fração da luz infravermelha, mas a luz de rádio pode transmitir sem impedimentos. (Nicole Rager Fuller / National Science Foundation)



Se quisermos ver essa luz diretamente, não temos escolha a não ser observar comprimentos de onda muito longos com um telescópio espacial ultra-sensível : exatamente o que James Webb foi projetado para ser! Mas com James Webb ainda no solo, passando por sua série final de testes e sendo preparado para o lançamento, levará pelo menos mais 18 meses antes que ele possa procurar essas primeiras estrelas e galáxias. Devido a um efeito inteligente, no entanto, os átomos neutros que os telescópios ultravioleta, óptico e infravermelho lutam para ver, na verdade, fornecem um sinal que podemos detectar: ​​uma linha de emissão muito particular na porção de rádio do espectro, em um comprimento de onda de 21 centímetros . A física de como isso funciona é espetacular.



Uma jovem região de formação de estrelas encontrada dentro da nossa Via Láctea. Observe como o material ao redor das estrelas fica ionizado e, com o tempo, torna-se transparente a todas as formas de luz. Até que isso aconteça, no entanto, o gás circundante absorve a radiação, emitindo luz própria de uma variedade de comprimentos de onda. (NASA, ESA e Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration; Agradecimentos: R. O'Connell (Universidade da Virgínia) e o Comitê de Supervisão Científica WFC3)

Quando você forma estrelas, elas transmitem energia a todos os átomos, moléculas, íons e outras partículas que as cercam. Nos primeiros estágios do Universo, 92% dos átomos que existem (por número) são átomos de hidrogênio: um único próton com um único elétron orbitando-o. A luz das estrelas que é emitida primeiro ionizará uma parte dos átomos, mas também causará um efeito genérico de absorção, onde os elétrons dentro dos átomos são levados para um estado de energia mais alto. À medida que os elétrons se reconectam aos prótons e/ou caem no estado fundamental, o que eles fazem espontaneamente, há uma chance de 50/50 de que eles acabem com seus spins alinhados ou anti-alinhados com o spin do próton central. Se forem anti-alinhados, ficarão lá para sempre. Mas se eles estiverem alinhados, eles eventualmente virarão, emitindo um quantum muito específico de energia com um comprimento de onda de 21 centímetros.



A linha de hidrogênio de 21 centímetros surge quando um átomo de hidrogênio contendo uma combinação próton/elétron com spins alinhados (topo) vira para ter spins anti-alinhados (abaixo), emitindo um fóton particular de um comprimento de onda muito característico. (Tiltec do Wikimedia Commons)

Esse recurso de emissão de fótons deve viajar pelo Universo sem ser perturbado, chegando aos nossos olhos depois de ser desviado para o vermelho e esticado para comprimentos de onda ainda maiores. Pela primeira vez, uma média total das emissões de rádio foi levada a uma sensibilidade sem precedentes, e essa assinatura ultradistante apareceu notavelmente! Os dados coletados mostra que esse gás hidrogênio neutro emite essa linha de 21 cm ao longo de uma duração muito específica: de um desvio para o vermelho de 15 a 20, ou uma idade do Universo entre 180 e 260 milhões de anos. Pela primeira vez, temos dados reais que indicam quando as primeiras estrelas se formaram em abundância suficiente para começar a afetar o gás neutro no Universo.



A enorme 'mergulho' que você vê no gráfico aqui, um resultado direto do último estudo de Bowman et al. (2018), mostra o sinal inconfundível de emissão de 21 cm de quando o Universo tinha entre 180 e 260 milhões de anos. Isso corresponde, acreditamos, à ativação da primeira onda de estrelas e galáxias no Universo. (J.D. Bowman et al., Nature, 555, L67 (2018))



Os dados também indicam uma temperatura para o gás, que parece muito mais fria do que nossos modelos padrão prevêem. Isso pode ser explicado por uma série de caminhos, incluindo:

  • radiação de estrelas e restos estelares,
  • um fundo cósmico de radiação mais quente do que o esperado,
  • ou um resfriamento adicional devido a interações entre matéria normal e matéria escura.

A primeira possibilidade é bem compreendida e é improvável que explique esse efeito, enquanto a segunda foi medida com incrível precisão e é facilmente descartada. Mas a terceira explicação pode ser a pista há muito procurada sobre as propriedades das partículas que a matéria escura possui.



A formação da estrutura cósmica, tanto em grande quanto em pequena escala, é altamente dependente de como a matéria escura e a matéria normal interagem. Com as temperaturas frias observadas do gás neutro que emite a linha de 21 cm, isso pode ser uma pista de que a matéria escura e a matéria normal estão interagindo para resfriar o gás de uma maneira nova e inesperada. (Colaboração Distinta / Simulação Ilustre)

Mas, como em todas as coisas, é importante ter cautela. Espera-se que o resfriamento proceda de maneira diferente dentro de uma nuvem de gás quando ela é composta apenas de hidrogênio versus quando contém elementos pesados, mas todas as nuvens que observamos anteriormente contêm esses elementos pesados; eles formaram gerações anteriores de estrelas. Além disso, temos lugares extremamente frios dentro de nossa galáxia, como a Nebulosa do Bumerangue, que fica a apenas ~1 K, mais fria do que os vazios mais profundos do espaço intergaláctico. Dado que as primeiras estrelas provavelmente eram muito diferentes das que temos hoje, é razoável pensar que podemos não entender como a radiação de estrelas e remanescentes estelares no início do Universo funciona tão bem quanto pensamos.

A impressão de um artista do ambiente no início do Universo depois que os primeiros trilhões de estrelas se formaram, viveram e morreram. A existência e o ciclo de vida das estrelas é o processo primário que enriquece o Universo além do hidrogênio e do hélio, enquanto a radiação emitida pelas primeiras estrelas o torna transparente à luz visível. (NASA/ESA/ESO/Wolfram Freudling et al. (STECF))

Ainda assim, este é um tremendo avanço e nossa primeira janela para as estrelas que existiam no Universo além dos limites do Hubble. É uma descoberta incrivelmente sugestiva e esperançosa para os caçadores de matéria escura, indicando que pode haver uma interação mensurável entre a matéria escura e a matéria normal, afinal. E dá ao Telescópio Espacial James Webb algo para procurar: populações de estrelas e galáxias primitivas se acendendo em uma janela específica de redshift.

Com a detecção deste sinal de 21 cm originário de quando o Universo tinha entre 180 e 260 milhões de anos, agora retrocedemos a linha do tempo das primeiras estrelas e galáxias para muito além do alcance de nossos limites de detecção direta. Ainda assim, essa descoberta nos ajuda a entender melhor como o Universo veio a ser do jeito que é hoje. (Nicole Rager Fuller / National Science Foundation)

Embora os astrônomos sejam normalmente cautelosos, essa descoberta provocou uma enxurrada de especulações. Avi Loeb, citado na Associated Press , disse, Se confirmada, esta descoberta merece dois Prêmios Nobel, pela descoberta da primeira evidência dessas estrelas ultradistantes e pela conexão com a matéria escura. Como Katie Mack escreveu na Scientific American :

É a primeira indicação de qualquer tipo de estrutura no Universo e uma janela direta para os processos que levaram todo esse despretensioso gás hidrogênio a se condensar, sob a gravidade, em estrelas e galáxias e, eventualmente, em vida.

E o mais importante, este é um vislumbre de como é empurrar para trás as fronteiras da ciência. A primeira evidência de algo novo é quase sempre indireta, fraca e difícil de interpretar. Mas esses sinais inexplicáveis ​​têm o poder de explicar o que ainda não entendemos completamente: como o Universo veio a ser como é hoje. Pela primeira vez, o Universo nos deu uma pista observacional de onde, quando e o que procurar. Cabe a nós dar o próximo passo.


Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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