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Como os cientistas vão quebrar o recorde da galáxia mais distante de todos os tempos

Uma galáxia distante, de fundo, é tão severamente captada pelo aglomerado intermediário cheio de galáxias, que três imagens independentes da galáxia de fundo, com tempos de viagem de luz significativamente diferentes, podem ser vistas. Em teoria, uma lente gravitacional pode revelar galáxias que são muitas vezes mais fracas do que o que poderia ser visto sem essa lente. (NASA e ESA)

O Telescópio Espacial James Webb da NASA realmente dará início a uma nova era da astronomia.

Se você deseja encontrar a primeira galáxia de todas, precisa entender não apenas o que está procurando, mas tudo o que está entre você e o objeto que está procurando. De muitas maneiras, a ciência da astronomia é o estudo desses horizontes cósmicos em constante retrocesso: quanto mais longe olhamos no espaço, mais longe no tempo vemos. Nos limites absolutos, podemos imaginar encontrar as primeiras estrelas e galáxias de todas, que foram as primeiras a se formar em nosso Universo após o Big Bang.

Sempre que temos uma nova ferramenta – como um observatório de última geração – com novos recursos técnicos, nosso potencial para novas descobertas se abre, e isso significa a oportunidade de quebrar uma série de novos recordes. Neste momento, a galáxia mais distante que já encontramos é GN-z11 , que foi descoberto pelo Hubble em 2016. Atualmente, está localizado a cerca de 32 bilhões de anos-luz de distância, e sua luz chega após uma jornada de 13,4 bilhões de anos, de quando o Universo tinha apenas ~ 400 milhões de anos. Este recorde certamente cairá na era do Telescópio Espacial James Webb da NASA. Aqui está como vamos fazer isso.

A galáxia mais distante já encontrada: GN-z11, no campo GOODS-N conforme fotografado profundamente pelo Hubble. As mesmas observações que o Hubble fez para obter esta imagem darão ao WFIRST sessenta vezes o número de galáxias ultradistantes, enquanto o Telescópio Espacial James Webb da NASA será capaz de revelar galáxias mais distantes e menos luminosas do que esta. (NASA, ESA E P. OESCH (UNIVERSIDADE DE YALE))

Há muitas lições que podemos aprender examinando a própria GN-z11. Esta galáxia, intrinsecamente, é extremamente jovem e brilhante: formou uma grande população de novas estrelas muito recentemente. A luz dessas estrelas, esmagadoramente, é tão brilhante e azul que a maior parte está no ultravioleta: é uma radiação muito quente, de comprimento de onda curto. E, no entanto, a luz que observamos não é ultravioleta. Não é azul; nem é visível! Em vez disso, a única luz que recebemos está na porção infravermelha do espectro, e essa luz é muito fraca, silenciada e exibe uma enorme quantidade de características de absorção quando a separamos em seus comprimentos de onda individuais.

Há três razões em jogo para que este seja o caso.

1. O Universo está se expandindo, e isso muda a luz emitida para comprimentos de onda mais longos no momento em que podemos observá-lo.
2. O Universo está cheio de matéria neutra nessas primeiras épocas, e isso absorve uma grande fração da energia emitida antes mesmo de sair.
3. E o Universo tem nuvens intermediárias de gás e poeira que absorvem uma parte da luz enquanto viaja da fonte até nossos olhos.

No entanto, mesmo com os instrumentos antiquados do Hubble, ainda conseguimos identificar o atual recordista.

Somente porque esta galáxia distante, GN-z11, está localizada em uma região onde o meio intergaláctico é principalmente reionizado, o Hubble pode nos revelar no momento. Para ver mais longe, precisamos de um observatório melhor, otimizado para esses tipos de detecção, do que o Hubble. (NASA, ESA, E A. FEILD (STSCI))

A razão pela qual fomos capazes de vê-lo? De certa forma, nos preparamos para essa possibilidade e conseguimos aproveitar ao máximo nossas oportunidades. Mas de outras maneiras, simplesmente tivemos sorte, mas sorte da melhor maneira imaginável: nos colocamos em uma posição em que, se tivéssemos sorte, nossa preparação valeria a pena.

Embora tenha passado mais de uma década desde sua última (e última) missão de manutenção, o Hubble agora está equipado com um conjunto de instrumentos que são sensíveis a uma ampla gama de comprimentos de onda de luz: do ultravioleta ao visível e até o próximo. porção infravermelha do espectro. Ele não apenas possui uma ampla variedade de filtros, permitindo-nos aprimorar um conjunto específico de comprimentos de onda, mas um espectrógrafo, permitindo-nos dividir essa luz em seus comprimentos de onda individuais e procurar a assinatura reveladora de recursos de absorção e emissão: linhas emitidas ou absorvidas por elétrons encontrados em átomos e íons.

Em circunstâncias típicas, a luz que sai seria muito fraca para o Hubble ver. Mas tivemos sorte de duas maneiras diferentes, e isso fez toda a diferença.

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)

A primeira maneira pela qual tivemos sorte é que, quando olhamos na direção do GN-z11, estamos olhando ao longo de uma linha de visão que tem significativamente menos matéria neutra e bloqueadora de luz do que a média. Isso não é totalmente inesperado: o Universo tem algumas regiões que formam maiores quantidades de estrelas e galáxias mais cedo do que a média, e outras regiões que formam quantidades menores de estrutura do que a média. Essas estruturas iniciais – e as estrelas quentes, azuis e massivas em particular – são as principais responsáveis ​​por ionizar o meio intergaláctico e torná-lo transparente à luz das estrelas.

Em média, o Universo não fica totalmente reionizado (e, portanto, torna-se transparente à luz das estrelas) até atingir aproximadamente 550 milhões de anos de idade. Esse é o tempo que leva para que estrelas e galáxias suficientes se formem, brilhem e produzam quantidades suficientemente grandes de radiação ultravioleta ionizante para derrubar os elétrons de 100% dos átomos neutros no meio intergaláctico, e também para a densidade desses íons permanecem baixos o suficiente para que não se transformem em átomos neutros. Em algumas direções, isso acontece mais cedo (e em outras, mais tarde), e na direção do GN-z11, tivemos sorte e aconteceu significativamente mais cedo do que o normal.

A pesquisa GOODS-North, mostrada aqui, contém algumas das galáxias mais distantes já observadas, muitas das quais já são inalcançáveis ​​por nós. As galáxias mais distantes que aparecem, como as mais fracas e mais vermelhas de todas, têm sua luz ampliada pela intervenção de fontes de primeiro plano através do processo de lente gravitacional. Observações espectroscópicas são necessárias para confirmar as propriedades suspeitas dessas galáxias. (NASA, ESA E Z. LEVAY (STSCI))

Se essa fosse a única maneira pela qual tivéssemos sorte, no entanto, ainda não teríamos sido capazes de descobrir esta galáxia. Mesmo que uma fração maior do que o normal de sua luz ultravioleta tenha saído, mesmo que haja menos matéria normal interveniente do que o normal para absorvê-la, e mesmo que nossos telescópios atuais sejam mais do que capazes de ver e analisar essa luz no comprimento de onda alcance em que chegará, simplesmente teria sido muito fraco. Mesmo com as exposições de campo profundo de longo período que fizemos, não teria sido possível sem uma forma adicional de ampliação.

Foi aí que veio a segunda sorte: uma lente gravitacional passou a existir ao longo da linha de visão que conecta nossos telescópios a esta jovem e distante galáxia. Quando uma grande fonte de massa – como uma galáxia, quasar ou mesmo um aglomerado de galáxias – está posicionada exatamente entre nós e um objeto que estamos tentando observar, ela pode não apenas esticar e distorcer a luz de fundo, mas também pode também ampliá-lo significativamente: por até cerca de um fator de 20. Na melhor das circunstâncias, ele pode nos mostrar o que de outra forma seria inobservável.

O aglomerado de galáxias MACS 0416 do Hubble Frontier Fields, com a massa mostrada em ciano e a ampliação da lente mostrada em magenta. Essa área de cor magenta é onde a ampliação da lente será maximizada, pois há uma área localizada a uma distância específica de qualquer distribuição de massa, incluindo galáxias e aglomerados de galáxias, onde os aprimoramentos de brilho serão maximizados. (STSCI/NASA/CATS TEAM/R. LIVERMORE (UT AUSTIN))

No próximo ano, em outubro de 2021, o Telescópio Espacial James Webb da NASA será lançado e implantado, onde observará o Universo muito além dos limites do Hubble. Não apenas é significativamente maior - com um diâmetro de 6,5 metros (comparado aos 2,4 metros do Hubble) e mais de sete vezes o poder de captação de luz - mas também será resfriado ativa e passivamente, o que significa que pode ver a luz em muito comprimentos de onda mais longos do que o Hubble pode.

Essas baixas temperaturas significam baixo ruído térmico, relações sinal-ruído mais altas e a capacidade de observar luz de menor energia e comprimento de onda mais longo. Enquanto o Hubble pode chegar a cerca de 2 mícrons de comprimento de onda, mas não mais, o James Webb da NASA chegará a cerca de 25 a 30 mícrons, com maior sensibilidade do que o Hubble em todos esses comprimentos de onda. Ele será capaz de detectar a luz desviada para o vermelho que está fora do alcance do Hubble, permitindo-nos observar galáxias mais fracas, mais distantes e exibindo transições atômicas e iônicas que o Hubble não consegue detectar.

James Webb terá sete vezes o poder de captação de luz do Hubble, mas será capaz de ver muito mais longe na porção infravermelha do espectro, revelando essas galáxias existentes ainda mais cedo do que o Hubble poderia ver. (CRÉDITO: NASA / JWST SCIENCE TEAM)

Embora o programa científico e o cronograma do Webb ainda não tenham sido totalmente determinados, é quase certo que uma das primeiras campanhas de observação será fazer sua própria versão da imagem mais famosa do Hubble de todas: uma visão de campo profundo de uma seção Do universo. Na maior visão do Universo profundo até hoje, o Hubble eXtreme Deep Field fotografou uma região do espaço tão pequena que seriam necessários cerca de 32.000.000 deles para cobrir todo o céu. Através dos comprimentos de onda - do ultravioleta ao visível ao infravermelho próximo - foram necessários um total de 23 dias contínuos de dados.

Quando todos os dados estavam disponíveis, os cientistas conseguiram construir a imagem mais profunda do Universo de todos os tempos. Dentro deste pequeno pedaço de céu, um total de 5.500 galáxias foram encontradas, abrangendo bilhões de anos de história cósmica. E, no entanto, o que é tão notável é o que não é visto. As galáxias menores, mais fracas e mais distantes de todas estavam faltando; com tudo o que o Hubble foi capaz de revelar, isso ainda representa apenas cerca de 10% das galáxias que se espera que estejam presentes neste volume.

Várias campanhas de longa exposição, como o Hubble eXtreme Deep Field (XDF) mostrado aqui, revelaram milhares de galáxias em um volume do Universo que representa uma fração de um milionésimo do céu. Ao todo, estimamos que existam aproximadamente 2 trilhões de galáxias no Universo observável, mas mesmo que tivessem um trilhão de estrelas cada (uma estimativa alta), haveria mais átomos em nossos corpos do que estrelas no Universo. (NASA, ESA, H. TEPLITZ E M. RAFELSKI (IPAC/CALTECH), A. KOEKEMOER (STSCI), R. WINDHORST (ARIZONA STATE UNIVERSITY) E Z. LEVAY (STSCI))

É aí que o poder do Telescópio Espacial James Webb da NASA deve realmente brilhar. Este mesmo pedaço de céu, se visto pelo Telescópio Espacial James Webb em vez do Hubble, deve revelar galáxias que são menores, mais fracas, mais vermelhas e mais atrás da grande muralha de matéria apenas parcialmente reionizada do que nunca. Todas as galáxias que o Hubble conseguiu ver também devem ser visíveis para Webb, além de muitas outras.

Mas o que não saberemos até começarmos a fazer observações é quantas dessas galáxias desaparecidas serão reveladas. Para cada galáxia grande e brilhante, existem muitas outras que são menores, mais fracas e mais baixas tanto em massa quanto em luminosidade. Para cada galáxia próxima que vemos hoje, existem muitas outras que estão mais distantes e menos evoluídas.

Graças ao poder do Hubble, vimos uma amostra das galáxias que existem por aí, mas elas tendem a ser apenas as mais brilhantes e próximas. Com James Webb, veremos os que estão além do alcance do Hubble, dando-nos uma janela sem precedentes para entender como o Universo cresceu para ser como é hoje.

À medida que exploramos cada vez mais o Universo, somos capazes de olhar mais longe no espaço, o que equivale a mais longe no tempo. O Telescópio Espacial James Webb nos levará a profundidades, diretamente, que nossas instalações de observação atuais não podem igualar, com os olhos infravermelhos de Webb revelando a luz estelar ultradistante que o Hubble não pode esperar ver. (NASA / JWST E EQUIPES HST)

O que irá revelar? Essa é talvez a maior questão de todas, e sobre a qual só podemos especular hoje. Afinal, isso faz parte da essência fundamental da ciência: não importa o quanto você esteja certo de suas teorias e do que elas preveem, você deve sempre coletar os dados críticos do próprio Universo para saber o que está lá fora. Na astronomia, não há substituto para as observações que nos revelam o Universo exatamente como ele é.

Mas, no entanto, podemos estar confiantes, com base em lições anteriores, onde provavelmente encontraremos as galáxias recordes que James Webb revelará. Eles serão:

• atrás de uma parede de matéria neutra,
• que, no entanto, é mais fino que a média,
• ao longo de uma linha de visão com menos nuvens de gás intervenientes do que o normal,
• atrás de uma galáxia massiva ou aglomerado de galáxias que ilumina a luz de fundo,
• assim como intrinsecamente brilhantes, azuis e cheias de estrelas jovens e luminosas.

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))

Sem a capacidade de pesquisar todo o céu, no entanto, é extremamente provável que quebramos o recorde atual, mas não estabelecemos o recorde final, de todos os tempos e que nunca será quebrado, para a galáxia mais distante. Mesmo com as capacidades avançadas do nosso telescópio espacial de próxima geração, o James Webb da NASA poderá olhar para cerca de 200 a 250 milhões de anos após o Big Bang: uma melhoria que basicamente reduz pela metade o tempo desde o Big Bang que o Hubble pode observar.

Mas as primeiras estrelas, aglomerados de estrelas e galáxias primitivas que se formam devem surgir ainda mais cedo do que isso. Há tanta matéria intermediária que nem mesmo Webb será capaz de perscrutá-la. Há, no entanto, um sinal potencial que pode surgir: a radiação de 21 centímetros que é emitida quando as estrelas se formam, a matéria é ionizada e, em seguida, esses íons se recombinam para formar hidrogênio neutro. Esta radiação poderia, em princípio, ser observada por um conjunto de radiotelescópios de baixa frequência no lado oculto da Lua. Nossas fronteiras do desconhecido podem estar sempre recuando, mas cabe a nós continuar empurrando-as. Somente continuando a procurar além do que é conhecido atualmente, podemos esperar descobrir o que realmente existe em nosso Universo.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. 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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