Começa Com Um Estrondo

Como foi quando o universo fez as primeiras galáxias?

A estrutura em grande escala do Universo muda com o tempo, à medida que pequenas imperfeições crescem para formar as primeiras estrelas e galáxias, depois se fundem para formar as grandes e modernas galáxias que vemos hoje. Olhar para grandes distâncias revela um Universo mais jovem, semelhante a como nossa região local era no passado. (CHRIS BLAKE E SAM MOORFIELD)

Eles podem ter surgido menos de 200 milhões de anos após o Big Bang, mas o Universo era um lugar muito diferente naquela época.

Quando você olha além da Via Láctea hoje, até onde conseguimos ver, há galáxias em todos os lugares. Mesmo se você pegar um pedaço escuro do céu sem estrelas, galáxias ou qualquer matéria conhecida, se você olhar fundo o suficiente, milhares e milhares de galáxias serão sua recompensa. Ao todo, existem cerca de dois trilhões de galáxias dentro do Universo observável, estendendo-se por dezenas de bilhões de anos-luz em todas as direções.

No entanto, apesar de todas as galáxias que vimos, nunca fomos longe o suficiente para encontrar as primeiras já feitas no Universo. O atual recordista, apesar de sua luz ter chegado de quando o Universo tinha apenas 400 milhões de anos – 3% de sua idade atual – já está evoluído e cheio de estrelas antigas. As primeiras galáxias vêm de uma época anterior à nossa sondagem. Mas se tivermos sorte, chegaremos lá em breve. Veja como essas galáxias deveriam ser.

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. (BLOCO DE ADAM/MONTE LEMMON SKYCENTER/UNIVERSIDADE DO ARIZONA)

As galáxias que vemos hoje são antigas. Eles são enormes, enormes e estão cheios de uma variedade de estrelas. Na maior parte, há muitos elementos pesados lá: aproximadamente 1 a 2% de todos os átomos presentes nas galáxias (em peso) são algo diferente de hidrogênio ou hélio. Isso é um grande negócio, considerando que o Universo nasceu sem carbono, nitrogênio, oxigênio, silício, enxofre, ferro ou praticamente qualquer um dos elementos que encontramos nas estrelas e galáxias hoje.

Mas foram necessários bilhões de anos e inúmeras gerações de estrelas para produzi-los hoje. Se olharmos para o Universo distante, também olharemos para trás no tempo e descobriremos que as galáxias eram muito diferentes naquela época de como aparecem hoje. Eles eram menores, mais azuis, mais numerosos e mais pobres nesses elementos pesados do que as galáxias que temos hoje. Ao longo da história do Universo, as galáxias evoluíram substancialmente.

As galáxias comparáveis à atual Via Láctea são numerosas, mas as galáxias mais jovens semelhantes à Via Láctea são inerentemente menores, mais azuis, mais caóticas e mais ricas em gás em geral do que as galáxias que vemos hoje. Para as primeiras galáxias de todas, isso deve ser levado ao extremo e permanece válido desde que já vimos. (NASA E ESA)

Mas como se formaram os primeiros? E como era o Universo quando eles o fizeram?

A história cósmica que os trouxe até nós viu vários passos importantes acontecerem primeiro. A matéria venceu a antimatéria ; núcleos atômicos e então átomos neutros formados ; a primeira geração de estrelas nasceu , faleceu , e deu origem à segunda geração de estrelas . Mas mesmo depois de todos esses passos, ainda não havia galáxias ao redor.

O simples motivo? As escalas cósmicas de menor volume colapsam gravitacionalmente primeiro, enquanto as escalas maiores levam mais tempo.

A concepção de um artista de como o Universo pode se parecer ao formar estrelas pela primeira vez. À medida que brilham e se fundem, a radiação será emitida, tanto eletromagnética quanto gravitacional. Mas quando morrem, podem dar origem a uma segunda geração de estrelas, e essas são muito mais interessantes. (NASA/JPL-CALTECH/R. HURT (SSC))

Pense em dois fatores importantes em jogo aqui: a gravidade e a velocidade da luz. A gravidade é o único mecanismo que pode reunir aglomerados cada vez maiores de matéria. É limitado, no entanto, pela velocidade com que as coisas podem crescer gravitacionalmente.

Imagine que você comece com uma pequena massa, acima de qualquer que seja a densidade média. Se você tiver alguma massa adicional para atrair que está a um ano-luz de distância, levará um ano inteiro para sentir a força da massa, já que a força gravitacional só viaja na velocidade da luz. Mas se houver uma massa adicional a cem, ou um milhão, ou um bilhão de anos-luz de distância, você terá que esperar todo esse tempo adicional passar. A gravidade não é instantânea; ele só viaja na velocidade da luz.

Qualquer fonte gravitacional distante pode emitir ondas gravitacionais e enviar um sinal que deforma o tecido do espaço, que se manifesta como atração gravitacional. Mas essa deformação só viaja na velocidade da luz; objetos distantes devem esperar muito tempo antes de sentir essa força. (OBSERVATÓRIO GRAVITACIONAL EUROPEU, LIONEL BRET/EUROLIOS)

Então, o que acontece, então, quando você finalmente junta uma grande quantidade de massa em um só lugar, a partir do colapso gravitacional de suas primeiras estrelas e aglomerados de estrelas? Eles se atraem e podem finalmente fazê-lo de forma eficaz.

Mas a escala de tempo para um aglomerado de estrelas massivo atrair outro será muito maior do que a escala de tempo para a formação de aglomerados de estrelas individuais. Em vez de olhar para volumes de espaço que podem ter alguns milhares de anos-luz de lado – a escala do que pode colapsar para formar um aglomerado de estrelas – você precisa olhar em escalas dezenas ou centenas de vezes maiores para reunir matéria suficiente para começar a fazer as primeiras galáxias.

As estrelas se formam em uma ampla variedade de tamanhos, cores e massas, incluindo muitas estrelas azuis brilhantes que são dezenas ou até centenas de vezes mais massivas que o Sol. Isso é demonstrado aqui no aglomerado estelar aberto NGC 3766, na constelação de Centaurus. Os aglomerados de estrelas se formam mais rapidamente do que as galáxias no início do Universo. (ISSO)

Mas lembre-se, também, que as superdensidades originais que levam a aglomerados de estrelas e galáxias são apenas uma parte em cerca de 30.000, o que significa que essas superdensidades precisam crescer em grandes quantidades de tempo. Se a gravidade leva dezenas ou centenas de vezes mais tempo para alcançar entre aglomerados de estrelas do que para um aglomerado individual, você pode se preocupar que leva dezenas ou centenas de vezes mais tempo para fazer galáxias do que estrelas.

Felizmente, isso não é verdade! Demora mais, mas nem perto disso. O poder de uma força gravitacional atrativa é cumulativo, então é basicamente como iniciar um relógio em um atraso. O relógio do aglomerado de estrelas começa alguns milhões de anos após o Big Bang; o relógio da galáxia começa talvez dez milhões de anos depois disso, e começa com uma desvantagem: ainda falta muito para entrar em colapso.

Fluxos de matéria escura impulsionam o agrupamento de galáxias e a formação de estruturas em grande escala, como mostrado nesta simulação KIPAC/Stanford. (O. HAHN E T. ABEL (SIMULAÇÃO); RALF KAEHLER (VISUALIZAÇÃO))

Mas isso está bem! É assim que funciona a formação de estruturas em larga escala. Temos imperfeições de densidade em todas as escalas, e elas crescem assim que passa o tempo suficiente para que a gravidade atraia a matéria a uma certa distância.

Formamos os primeiros aglomerados estelares rapidamente, talvez depois de 50 a 100 milhões de anos. Formamos a segunda geração de estrelas quase imediatamente depois, porque a primeira geração de estrelas vive e morre tão rápido, desencadeando uma nova geração logo depois.

Então temos que esperar dezenas de milhões de anos para que as primeiras galáxias se formem, já que isso exige que os aglomerados de estrelas se atraiam pelo abismo do espaço vazio, onde finalmente se fundem. E levará escalas de tempo ainda mais longas para que grandes galáxias e então grupos de galáxias e aglomerados de galáxias surjam.

Projeção em grande escala através do volume Illustris em z=0, centrado no aglomerado mais massivo, 15 Mpc/h de profundidade. Mostra a densidade da matéria escura (esquerda) em transição para a densidade do gás (direita). A estrutura em grande escala do Universo não pode ser explicada sem a matéria escura. O conjunto completo do que está presente no Universo determina que a estrutura se forme primeiro em pequenas escalas, eventualmente levando a progressivamente maiores e maiores. (COLABORAÇÃO DISTINTA / SIMULAÇÃO FAMOSA)

O desafio mais difícil para encontrar essas primeiras galáxias é que ainda não houve estrelas suficientes formadas em todo o Universo para ionizar todos os átomos neutros no espaço intergaláctico. Prótons e elétrons ainda estão ligados um ao outro e assim permanecerão até que o Universo seja inundado com luz ultravioleta sustentada suficiente para expulsar permanentemente esses elétrons de seus átomos.

Isso significa que a luz das primeiras estrelas (e primeiras galáxias) é absorvida por esses átomos; o Universo ainda é opaco. As primeiras galáxias que já vimos datam de 400 milhões de anos após o Big Bang, e só foram descobertas porque estão localizadas ao longo de uma linha de visão casualmente mais ionizada do que a média.

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))

No entanto, podemos fazer um pouco melhor do que isso. Observamos uma série de galáxias um pouco mais tarde e conseguimos determinar a idade das estrelas nelas!

A galáxia MACS1149-JD1 é a segunda galáxia mais distante já encontrada, cuja luz chega 530 milhões de anos após o Big Bang. No entanto, quando o observamos, descobrimos que as estrelas dentro dele têm aproximadamente 280 milhões de anos, o que significa que se formaram em uma explosão massiva apenas 250 milhões de anos após o Big Bang.

A galáxia distante MACS1149-JD1 é gravitacionalmente captada por um aglomerado em primeiro plano, permitindo que ela seja fotografada em alta resolução e em vários instrumentos, mesmo sem tecnologia de última geração. (ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA HUBBLE SPACE TELESCOPE, W. ZHENG (JHU), M. POSTMAN (STSCI), THE CLASH TEAM, HASHIMOTO ET AL.)

Essas explosões massivas de formação estelar não ocorrem simplesmente porque você teve um aglomerado de estrelas; eles ocorrem quando grandes fusões acontecem, dando origem ao que os astrônomos chamam de starburst. A colisão de gás causa o colapso do material, o que pode desencadear grandes quantidades de formação de novas estrelas. Muito maiores e mais poderosos do que um mero aglomerado de estrelas em colapso, devem significar as verdadeiras primeiras galáxias.

Eles serão maiores, conterão mais estrelas, serão mais massivos, mais luminosos e deixarão uma assinatura inconfundível. Eles se imprimirão no Universo. E essa impressão será observável.

Toda a nossa história cósmica é teoricamente bem compreendida, mas apenas qualitativamente. É confirmando e revelando observacionalmente vários estágios no passado do nosso Universo que devem ter ocorrido, como quando as primeiras estrelas e galáxias se formaram, que podemos realmente entender nosso cosmos. (NICOLE RAGER FULLER / FUNDAÇÃO NACIONAL DE CIÊNCIAS)

Eles não apenas começarão a contribuir para a reionização do Universo, mas onde quer que formem estrelas, encontraremos elétrons se recombinando com seus núcleos ionizados. Esse ato, quando ocorre para átomos de hidrogênio, tem 50% de chance de formar uma configuração onde os spins estejam alinhados (up-up ou down-down) e 50% de chance de que os spins sejam anti-alinhados (up-down). ou para baixo).

As configurações up-down ou down-up são mais estáveis, por uma pequena quantidade. Se você formar a configuração alinhada, ela fará a transição para a configuração antialinhada em escalas de tempo de cerca de 10 milhões de anos. E quando faz a transição, emite um fóton de um comprimento de onda muito específico: 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 fóton então viaja por todo o Universo, chegando aos nossos olhos, desviado para o vermelho pela expansão do Universo. No início de 2018, saiu um artigo, embora muito controverso, que afirmava detectar essa assinatura pela primeira vez. Impressionantemente, a escala de tempo para quando essas primeiras galáxias deveriam ter se formado coincide muito bem com essas observações.

Sempre que o amanhecer cósmico ocorreu, sempre que essas primeiras galáxias chegaram, todas as evidências apontam para um cronograma de 200 a 250 milhões de anos como a origem principal das primeiras galáxias.

A enorme 'mergulho' que você vê no gráfico aqui, um resultado direto de um estudo recente 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. Com base nesta evidência, o início da “alvorada cósmica” começa em um desvio para o vermelho de 22 ou mais. (J.D. BOWMAN ET AL., NATUREZA, 555, L67 (2018))

As primeiras galáxias exigiram um grande número de etapas para acontecer primeiro: elas precisavam de estrelas e aglomerados estelares para se formar, e precisavam que a gravidade reunisse esses aglomerados estelares em aglomerados maiores. Mas uma vez que você os produz, eles agora são as maiores estruturas e podem continuar a crescer, atraindo não apenas aglomerados de estrelas e gás, mas também pequenas galáxias adicionais. A teia cósmica deu seu primeiro grande passo e continuará a crescer ainda mais, e mais complexa, ao longo das centenas de milhões e bilhões de anos que se seguirão.

Enquanto isso, as regiões com sobredensidades iniciais menores continuarão a crescer, formando estrelas pela primeira (ou segunda) vez em lugares onde não se formaram antes. A grande história cósmica da formação de estruturas não acontece de uma só vez, mas em pedaços por todo o cosmos. Mas com as primeiras galáxias, a corrida para formar galáxias como a nossa começou oficialmente.

Leitura adicional sobre como era o Universo quando: