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Quando as primeiras estrelas apareceram no universo?

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. Crédito da imagem: NASA/ESA/ESO/Wolfram Freudling et al. (STECF) .

Hoje, nosso Universo visível contém 2 trilhões de galáxias, cada uma com bilhões de estrelas. Mas quando apareceu o primeiro?

Quando olhamos para o nosso Universo hoje, estima-se que existam dois trilhões de galáxias dentro dele, cada uma contendo uma média de centenas de bilhões de estrelas. Ao todo, isso significa que podemos ver cerca de 1024 estrelas dentro do Universo visível, indo até onde nossos maiores observatórios, mesmo em princípio, poderiam nos levar. À medida que olhamos para distâncias cada vez maiores, também estamos olhando para trás no tempo e, como o Big Bang ocorreu há um tempo finito (13,8 bilhões de anos), há um limite para o quão longe podemos olhar e ainda ver estrelas . Deve ter havido um tempo antes do qual não havia estrelas e, portanto, um tempo em que a primeira estrela apareceu no Universo. Quando foi isso? Estamos mais perto do que nunca de saber a resposta.

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. James Webb irá muito mais longe. Crédito da imagem: NASA, ESA e A. Feild (STScI).

Devido aos maiores observatórios da humanidade, como o Telescópio Espacial Hubble, gigantes da classe de 10 metros no solo e telescópios espaciais infravermelhos como Herschel e Spitzer, vimos mais longe no Universo do que em qualquer outro momento. Encontramos uma enorme quantidade de galáxias e quasares de 12 a 13 bilhões de anos atrás, com um punhado de galáxias ainda mais antigas que isso. O atual recordista é GN-z11, uma galáxia cuja luz vem até nós quando o Universo tinha apenas 400 milhões de anos: 3% de sua idade atual. É mera coincidência que podemos ver esta galáxia, e é improvável que nossa geração atual de telescópios encontre estrelas ou galáxias mais distantes do que isso.

Concepção artística em escala logarítmica do universo observável. Observe que estamos limitados em quão longe podemos ver pela quantidade de tempo que ocorreu desde o Big Bang quente: 13,8 bilhões de anos, ou (incluindo a expansão do Universo) 46 bilhões de anos-luz. Não há estrelas e galáxias lá atrás; há um limite para o que é acessível para nós, mesmo em princípio. Crédito da imagem: usuário da Wikipédia Pablo Carlos Budassi.

Não é porque estrelas ou galáxias além disso não existam, mas as propriedades do Universo que existem naquele momento significam que não podemos ver as que existem. Uma vez que os primeiros 380.000 anos se passaram, o Universo esfriou o suficiente para que você possa formar átomos neutros de forma estável, sem que eles sejam imediatamente ionizados pela radiação remanescente do próprio Big Bang. Neste ponto, não há estrelas; levará dezenas de milhões (ou talvez mais de 100 milhões) anos para que a gravitação faça com que essas regiões ligeiramente superdensas atraiam matéria suficiente para desencadear a fusão nuclear pela primeira vez. Quando o fazem, no entanto, duas coisas trabalham contra eles:

1. O Universo está se expandindo, o que significa que mesmo a luz ultravioleta de mais alta energia criada pelas estrelas mais quentes é desviada para o vermelho: do UV através do visível e até o infravermelho, muito além do que o Hubble pode ver.
2. E o Universo, cheio de átomos neutros agora, bloqueia a luz dessas estrelas, da mesma forma que a matéria neutra em nossa galáxia obscurece o centro galáctico de nossos próprios olhos.

Um mapa de densidade de estrelas na Via Láctea e céu circundante, mostrando claramente a Via Láctea, grandes e pequenas Nuvens de Magalhães, e se você olhar mais de perto, NGC 104 à esquerda do SMC, NGC 6205 ligeiramente acima e à esquerda de o núcleo galáctico, e NGC 7078 ligeiramente abaixo. No entanto, na luz visível, o centro galáctico é obscurecido devido à absorção de luz pela matéria neutra em nosso plano galáctico. Crédito da imagem: ESA/GAIA.

Além disso, essas primeiras estrelas e galáxias são diferentes das nossas. No momento, as estrelas que existem no Universo são feitas de aproximadamente 70% de hidrogênio, 28% de hélio e 1-2% de todo o resto, que os astrônomos chamam preguiçosamente de metais. Se você der uma olhada em todas as estrelas que já viveram, fundindo hidrogênio em hélio e depois hélio em elementos mais pesados, esta é a soma total de seus efeitos: enriquecendo o Universo pós-Big-Bang, que era 75% hidrogênio, 25% % de hélio e 0% de metais, no que vemos hoje. Isso significa que as primeiras estrelas que se formaram deveriam ser imaculadas, ou feitas exclusivamente de hidrogênio e hélio, sem metais para poluí-las. O melhor candidato que temos para isso é uma população de estrelas na galáxia CR7, cuja luz viajou mais de 13 bilhões de anos para chegar aos nossos olhos.

Uma ilustração de CR7, a primeira galáxia detectada que se acredita abrigar estrelas da População III: as primeiras estrelas já formadas no Universo. O JWST revelará imagens reais desta galáxia e de outras semelhantes. Crédito da imagem: ESO/M. Kornmesser.

Em teoria, podemos usar o que sabemos sobre a formação de estruturas para simular exatamente quando as primeiras estrelas devem se formar. Como sabemos o seguinte:

• quanto mais densas que a média certas regiões do Universo eram quando o Universo tinha 380.000 anos,
• quais são as leis físicas (como gravidade e eletromagnetismo) que a matéria e a radiação obedecem,
• quanto do Universo era feito de matéria, radiação, matéria escura e neutrinos naquela época,
• e como o resfriamento, a contração e o colapso funcionam em um Universo em expansão,

podemos fazer uma simulação de quando as condições no Universo existiram pela primeira vez para dar origem à ignição da fusão nuclear e, portanto, as primeiras estrelas.

Com nosso atual conjunto de observatórios, não podemos ver essas estrelas, pois a matéria neutra que as cerca bloqueia muito da luz emitida. Até que o Universo seja reionizado, o que significa que existem estrelas quentes e emissoras de UV suficientes para transformar esses átomos neutros em um plasma ionizado, essa luz ultravioleta e visível não pode passar. Em média, o Universo não se torna reionizado até os 500-550 milhões de anos; é apenas por pura sorte que a antiga galáxia GN-z11 estava localizada em uma região do espaço que foi reionizada cedo ao longo de nossa linha de visão.

Em geral, o que você precisa fazer é olhar na parte infravermelha do quadro de descanso da luz, já que os átomos neutros são muito menos eficazes em bloquear isso.

Esta visão de quatro painéis mostra a região central da Via Láctea em quatro diferentes comprimentos de onda de luz, com os comprimentos de onda mais longos (submilimétricos) no topo, passando pelo infravermelho distante e próximo (2º e 3º) e terminando em uma visão de luz visível da Via Láctea. Observe que as faixas de poeira e as estrelas em primeiro plano obscurecem o centro na luz visível. Crédito da imagem: Consórcio ESO/ATLASGAL/ Consórcio NASA/GLIMPSE/VVV Survey/ESA/Planck/D. Minniti/S. Guisard Agradecimentos: Ignacio Toledo, Martin Kornmesser.

Podemos ver isso olhando para nossa própria galáxia, que pode ser opaca à luz visível e UV, mas é transparente em comprimentos de onda cada vez mais longos. É por isso que o Telescópio Espacial James Webb representará um avanço tão tremendo. Sim, será maior que o Hubble; sim, terá instrumentação mais avançada. Mas o grande salto à frente será que ele foi projetado para ver comprimentos de onda muito mais longos, até o infravermelho médio, cerca de 20 vezes mais longo que o comprimento de onda mais longo que o Hubble pode ver. Em teoria, deve ser capaz de ver a luz de galáxias e aglomerados de estrelas desde quando o Universo tinha entre 150 e 250 milhões de anos.

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 da imagem: equipe científica da NASA / JWST.

Temos uma enorme quantidade de informações teóricas disponíveis que apontam para uma resposta sobre a linha do tempo do Universo:

• aos 550 milhões de anos, 100% do Universo está reionizado,
• com 400 milhões de anos, nosso atual recordista (baseado no Hubble) para a galáxia mais distante existe,
• por ~200 milhões de anos de idade, devemos formar as primeiras galáxias substanciais,
• bem no limite do que o Telescópio Espacial James Webb poderá ver,
• e as primeiras estrelas de todas deveriam se formar quando o Universo tinha 50 a 100 milhões de anos.

Mas há mais ciência a ser feita. Mesmo com James Webb, provavelmente não chegaremos até a primeira estrela de todas, mas é muito provável que tenhamos um controle muito melhor sobre exatamente onde eles estão e quando estão. E quanto às primeiras estrelas imaculadas? As primeiras estrelas verificadas não têm nada além de hidrogênio e hélio nelas? Se a natureza for gentil conosco, James Webb não apenas nos trará o primeiro deles, mas nos trará muitos exemplos.

O Universo está lá fora, esperando que o descubramos. Se quisermos saber a resposta, tudo o que precisamos fazer é olhar. À medida que construímos observatórios melhores e coletamos dados melhores, nossa compreensão de tudo o que existe por aí só melhorará.

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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