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As primeiras galáxias: o que sabemos e o que ainda precisamos aprender

A galáxia NGC 7331 e galáxias menores e mais distantes além dela. Quanto mais longe olhamos, mais para trás no tempo vemos. Eventualmente, chegaremos a um ponto em que nenhuma galáxia se formou se voltarmos o suficiente. Crédito da imagem: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/Universidade do Arizona.

Ainda não encontramos os primeiros, mas não estamos apenas no caminho; estamos quase lá.

Pela primeira vez, podemos aprender sobre estrelas individuais desde o início dos tempos. Certamente há muitos mais por aí. – Neil Gehrels

Quando você pensa em uma galáxia hoje, pensa em algo como a Via Láctea: centenas de bilhões de estrelas, grandes braços espirais, carregados de gás e poeira e prontos para formar a próxima geração de estrelas. Tal gigante exerce uma tremenda atração gravitacional agindo sobre tudo o que está próximo. E você conhecerá esta galáxia de longe pela luz das estrelas que sai dela, que viaja desimpedida pelo Universo transparente. Mas porque o que conhecemos como nosso Universo começou com o Big Bang há cerca de 13,8 bilhões de anos, sabemos que as galáxias nem sempre foram assim. Na verdade, se olharmos para trás o suficiente, podemos ver que as diferenças começam a aparecer.

Galáxias semelhantes à Via Láctea como eram em épocas anteriores do Universo. Crédito da imagem: NASA, ESA, P. van Dokkum (Universidade de Yale), S. Patel (Universidade de Leiden) e Equipe 3D-HST.

As galáxias do passado eram diferentes das galáxias que vemos hoje. Em detalhe, quanto mais para trás olhamos no tempo, vemos galáxias que são:

• Mais jovens, como evidenciado por um aumento de estrelas jovens,
• Mais azul, já que as estrelas mais azuis morrem mais rápido,
• Menor, porque as galáxias se fundem e atraem mais matéria ao longo do tempo, e
• Menos em espiral, porque estamos vendo apenas as partes mais brilhantes das galáxias formadoras de estrelas mais ativas.

Embora as galáxias sejam intrinsecamente mais azuis, se as olharmos através de nossos telescópios ópticos, elas realmente parecem mais vermelhas, e esse é um efeito real.

As galáxias menores, mais fracas e distantes aparecem em vermelho. Não porque eles são vermelhos, mas por causa da expansão do Universo. Crédito da imagem: NASA, ESA, R. Bouwens e G. Illingworth (UC, Santa Cruz).

Como o Universo está se expandindo, a luz de galáxias distantes – embora muito azul (e até ultravioleta) quando criada – é esticada pelo tecido do espaço-tempo. À medida que o comprimento de onda da luz se estende, torna-se mais vermelho, menos energético e mais difícil de ver. No entanto, à medida que construímos telescópios, particularmente no espaço, capazes de ver a porção infravermelha do espectro, mais informações sobre essas galáxias são reveladas. Os melhores dados vêm de combinações dos Telescópios Espaciais Hubble e Spitzer e podem nos dizer o que acontece ao longo da história do Universo.

A galáxia mais distante conhecida até hoje, confirmada pelo Hubble, espectroscopicamente, datando de quando o Universo tinha apenas 407 milhões de anos. Créditos da imagem: NASA, ESA e A. Feild (STScI).

À medida que olhamos para trás no tempo, descobrimos que as galáxias mais jovens formaram estrelas a taxas mais rápidas do que as galáxias de hoje. Podemos medir a taxa de formação de estrelas e descobrir que em épocas cada vez mais antigas, era mais intensa. Mas então descobrimos que atinge um pico quando o Universo tem cerca de dois bilhões de anos. Vá mais jovem do que isso, e a taxa cai novamente.

Uma ilustração de CR7, a primeira galáxia detectada que se acredita abrigar estrelas da População III: as primeiras estrelas já formadas no Universo. Isso é antes do pico da formação estelar. Crédito da imagem: ESO/M. Kornmesser.

Sabemos que o Universo deve ter nascido sem estrelas ou galáxias, e deve ter havido uma primeira estrela e uma primeira galáxia em algum lugar no tempo. Ainda não podemos ver; Hubble e Spitzer não são poderosos o suficiente para fazer isso. Mas se olharmos tão para trás quanto posso veja, aqui está o que encontramos, indo para trás:

• Antes de 2 bilhões de anos de idade, a taxa de formação de estrelas cai a uma taxa constante.
• Antes de 600 milhões de anos (0,6 bilhão de anos), a taxa de formação de estrelas caiu ainda mais rápido; houve um crescimento muito rápido durante aquelas críticas poucas centenas de milhões de anos.
• A galáxia mais jovem que já vimos até agora, Gz-11, vem de quando o Universo tinha 400 milhões de anos. Havia estrelas e galáxias antes disso.
• E desde quando o Universo tinha 380.000 anos de idade, definitivamente não havia estrelas ou galáxias, e esse foi o marco em que átomos estáveis ​​e neutros se formaram pela primeira vez.

Um diagrama para reionização no início do Universo: quando as primeiras estrelas e galáxias se formaram. Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP.

Mas há um enigma interessante quando o Universo é preenchido pela primeira vez com átomos neutros: esses átomos absorvem a luz visível. Isso significa que o Universo não era transparente, como é hoje, mas é opaco. Quando as primeiras estrelas se formam, não podemos ver a luz das estrelas da mesma forma que vemos a luz das estrelas hoje. Em vez disso, precisamos fazer duas coisas:

1. Precisamos procurar sinais de reionização, que é onde a radiação ultravioleta das primeiras estrelas e galáxias expulsa elétrons desses átomos, tornando o Universo transparente à luz das estrelas.
2. E precisamos olhar na porção de comprimento de onda mais longo do espectro eletromagnético, pois os átomos neutros têm mais dificuldade em absorver a luz de comprimentos de onda mais longos.

Se pudermos fazer essas observações, saberemos não apenas como as primeiras estrelas e galáxias se formaram, mas como elas levaram o Universo a se reunir nas gigantes estruturas e superestruturas galácticas que vemos hoje.

Os dados de formação estelar que coletamos refletem muito de perto as medições de reionização que fizemos, o que é notável. A reionização parece começar quando o Universo tem cerca de 400 a 450 milhões de anos, tem uma grande aceleração quando o Universo tem cerca de 600 a 650 milhões de anos e está completo quando o Universo tem cerca de 900 a 950 milhões de anos. O meio intergaláctico se comporta de forma consistente com o que vemos para as galáxias.

Esta região de campo profundo do campo GOODS-South contém 18 galáxias formando estrelas tão rapidamente que o número de estrelas dentro dele dobrará em apenas 10 milhões de anos: apenas 0,1% do tempo de vida do Universo. Crédito da imagem: NASA, ESA, A. van der Wel (Instituto Max Planck de Astronomia), H. Ferguson e A. Koekemoer (Instituto de Ciências do Telescópio Espacial) e a equipe CANDELS.

A maior lição de tudo isso é que as galáxias – e em particular as recém-formadas galáxias – são os componentes do Universo responsáveis ​​pela reionização. Haverá dois avanços incríveis na próxima década que nos permitirão entender esses estágios iniciais da luz das estrelas no Universo de uma vez por todas: o Telescópio Espacial James Webb e o WFIRST.

Os tamanhos dos espelhos de Hubble e James Webb, juntamente com as sensibilidades de James Webb (inserção) versus outros grandes observatórios. Crédito da imagem: equipe NASA / JWST, via http://jwst.nasa.gov/comparison.html (a Principal); Equipe científica da NASA / JWST (inserção).

Ao olhar mais longe e mais fundo no infravermelho do que qualquer telescópio antes dele, James Webb será capaz de ver galáxias de quando o Universo tinha apenas 250 milhões de anos. Isso provavelmente incluirá as primeiras observações diretas de estrelas imaculadas e pequenas galáxias, coleções que podem não ser mais do que algumas regiões de formação de estrelas se fundindo. Deve ser capaz de provar que suas galáxias, e não a formação de estrelas isoladas, são responsáveis ​​por reionizar o Universo.

Uma imagem conceitual do satélite WFIRST da NASA, programado para ser lançado em 2024 e nos fornece nossas medições mais precisas de energia escura, entre outras descobertas cósmicas incríveis. Crédito da imagem: NASA/GSFC/Conceptual Image Lab.

Mas se as primeiras galáxias se formarem ainda antes disso, James Webb terá limitações, e tudo o que poderemos fazer é fazer inferências para as verdadeiras primeiras fontes de luz estelar. Outro grande avanço virá do WFIRST, o verdadeiro sucessor do Hubble da NASA, com lançamento em 2024. O WFIRST terá a mesma capacidade de ver profundamente na porção visível e no infravermelho próximo do espectro, mas com cem vezes o campo de visão de Hubble. Com o WFIRST, devemos ser capazes de medir a formação de estrelas e a reionização em todo o Universo. Finalmente estamos aprendendo como o Universo passou de nenhuma estrela ou galáxia para as primeiras e evoluiu para o Universo rico, bonito, mas ultra-distante que habitamos hoje!

Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !

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