Primeiras estrelas formaram-se mais tarde do que se pensava

Impressão de artista de uma porção da linha temporal do Universo, por volta da "época da reionização" - o processo que ionizou a maioria do material no cosmos. A ilustração começa com a libertação da Radiação Cósmica de Fundo (esquerda), a luz mais antiga da história do cosmos, que data até 380.000 anos após o Big Bang, e continua até à direita, com a formação das primeiras estrelas e galáxias do Universo. Crédito: ESA - C. Carreau


O satélite Planck da ESA revelou que as primeiras estrelas do Universo começaram a formar-se mais tarde do que as observações anteriores da Radiação Cósmica de Fundo indicavam. Esta nova análise também mostra que essas estrelas foram as únicas fontes necessárias para explicar a reionização dos átomos no cosmos, tendo completado metade deste processo quando o Universo tinha atingido os 700 milhões de anos. Com a grande quantidade e variedade de estrelas e galáxias que habitam o Universo atual, é difícil imaginar quão diferente o nosso cosmos de 13,8 mil milhões de anos era quando tinha apenas alguns segundos de idade. Nessa fase inicial, era uma sopa quente e primordial de partículas, principalmente eletrões, protões, neutrinos e fotões - as partículas da luz.

Neste ambiente denso, o Universo era como um nevoeiro "opaco", pois as partículas de luz não podiam viajar quaisquer distâncias significativas sem colidirem com eletrões. À medida que o cosmos se expandia, o Universo tornava-se mais frio e mais rarefeito até que, após mais ou menos 380.000 anos, tornou-se finalmente "transparente". Nessa altura, as colisões entre partículas eram extremamente esporádicas e os fotões podiam viajar livremente através do cosmos. Hoje, os telescópios como o Planck podem observar esta luz fóssil por todo o céu, luz esta a que chamamos Radiação Cósmica de Fundo. A sua distribuição no céu revela pequenas flutuações que contêm uma riqueza de informações sobre a história, composição e geometria do Universo.

A libertação da Radiação Cósmica de Fundo aconteceu num momento em que os eletrões e os protões se uniram para formar átomos de hidrogénio. Este é o primeiro momento, na história do cosmos, em que a matéria se encontrava num estado eletricamente neutro. Depois disso, passaram-se algumas centenas de milhões de anos até que estes átomos se unissem e, eventualmente, dessem origem à primeira geração de estrelas do Universo. À medida que estas primeiras estrelas nasciam, encheram os seus arredores com luz, que subsequentemente dividiu átomos neutros, transformando-os de volta às suas partículas constituintes: eletrões e protões. Os cientistas referem-se a este período como a "época de reionização". Não demorou muito para que a maioria do material do Universo se tornasse completamente ionizado - à exceção de poucos locais isolados -, e assim ficou desde então.




Sumário da história de quase 14 mil milhões de anos do Universo, mostrando em particular os eventos que contribuíram para a radiação cósmica de fundo em micro-ondas.  O cronograma da secção superior da ilustração mostra uma impressão de artista da evolução do cosmos em larga escala. Os processos variam entre a inflação, a breve era de expansão acelerada do Universo quando tinha apenas uma pequena fração de um segundo, a libertação da CMB, a forma mais antiga de luz do Universo, impressa no céu quando o cosmos tinha apenas 380.000 anos; e da "Idade das Trevas" até ao nascimento das primeiras estrelas e galáxias, que reionizaram o Universo quanto tinha apenas algumas centenas de milhões de anos, até ao presente.  Pequenas flutuações quânticas geradas durante o período inflacionário são as sementes das estruturas futuras: as estrelas e galáxias de hoje. Depois do fim da inflação, as partículas de matéria escura começaram a aglomerar-se em torno destas sementes cósmicas, construindo lentamente uma teia cósmica de estruturas. Mais tarde, depois da libertação da CMB, a matéria normal começou a cair na direção destas estruturas, eventualmente dando origem às estrelas e galáxias.  As imagens circulares na secção inferior mostram ampliações de alguns processos microscópicos que tiveram lugar durante a história cósmica: desde pequenas flutuações geradas durante a inflação, até à sopa densa de luz e partículas que preencheram o Universo jovem; passando pela última dispersão de luz pelos eletrões, que deram origem à CMB e à sua polarização, até à reionização do Universo, provocada pelas primeiras estrelas e galáxias, que induziram polarização adicional na CMB.Crédito: ESA

As observações de galáxias muito distantes, que albergam buracos negros supermassivos, indicam que o universo tinha sido completamente reionizado quando tinha aproximadamente 900 milhões de anos. O ponto de partida deste processo, no entanto, é muito mais difícil de determinar e tem sido um tema muito debatido nos últimos anos. A Radiação Cósmica de Fundo diz-nos quando a época de reionização começou e, por sua vez, quando as primeiras estrelas se formaram no Universo," explica Jan Tauber, cientista do projeto Planck da ESA. Para fazer esta medição, os cientistas aproveitam o facto de que uma fração da Radiação Cósmica de Fundo é polarizada: parte da luz vibra numa direção preferencial. Isto deriva dos fotões da Radiação Cósmica de Fundo que ressaltam dos eletrões - algo que aconteceu muito frequentemente na sopa primordial, antes da Radiação Cósmica de Fundo e novamente depois, quando a luz das primeiras estrelas trouxe eletrões livres de volta para o palco cósmico.

"É nas pequenas flutuações da polarização da Radiação Cósmica de Fundo que podemos ver a influência do processo de reionização e deduzir quando começou," acrescenta Tauber. A primeira estimativa da época de reionização surgiu em 2003 pelo WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) da NASA, sugerindo que este processo possa ter começado no início da história cósmica, quando o Universo tinha apenas um par de centenas de milhões de anos. Este resultado era problemático porque não existem evidências de que quaisquer estrelas se tenham formado até então, o que significaria postular outras fontes exóticas que poderiam ter motivado a reionização naquela altura. Esta primeira estimativa foi em pouco tempo corrigida, pois os dados subsequentes do WMAP empurraram o tempo inicial para épocas posteriores, indicando que o Universo só se tornou significativamente reionizado, pelo menos, aos 450 milhões de anos da sua história.

Visualização da polarização da Radiação Cósmica de Fundo, detetada pelo satélite Planck da ESA por todo o céu.  A Radiação Cósmica de Fundo é um retrato da luz mais antigo do Universo, impressa no céu quando o Universo tinha apenas 380.000 anos. Mostra pequenas flutuações de temperatura que correspondem a regiões de densidades ligeiramente diferentes, representando as "sementes" de todas as estruturas futuras: as estrelas e galáxias de hoje.  Uma pequena fração da Radiação Cósmica de Fundo é polarizada - vibra numa direção preferida. Isto é um resultado do último encontro desta luz com eletrões, antes de começar a sua viagem cósmica. Por esta razão, a polarização da Radiação Cósmica de Fundo retém informações acerca da distribuição de matéria no início do Universo, e o seu padrão no céu segue o padrão das pequenas flutuações observadas na temperatura da Radiação Cósmica de Fundo.  Na imagem, a escala de cores representa diferenças de temperatura na radiação cósmica de fundo, enquanto a textura indica a direção da luz polarizada. Os padrões vistos na textura são característicos da polarização de "modos-E", o tipo de polarização dominante na radiação cósmica de fundo.  Para fins de ilustração, ambos os conjuntos de dados foram filtrados para mostrar principalmente o sinal detetado em escalas de aproximadamente 5º no céu. No entanto, as flutuações tanto na temperatura como na polarização estão presentes e foram observadas pelo Planck também a escalas angulares muito mais pequenas. Crédito: ESA e Colaboração Planck

Isto aliviou, mas não resolveu completamente o puzzle: embora as primeiras das "primeiras" estrelas já tivessem sido observadas quando o Universo tinha 300 a 400 milhões de anos, não está claro se estas estrelas eram as principais culpadas pela total reionização do cosmos ou se outras fontes adicionais e mais exóticas desempenharam, igualmente, um papel. Em 2015, a Colaboração Planck forneceu novos dados para resolver o problema, movendo a época de reionização até mais tarde na história cósmica e revelando que este processo estava a meio quando o Universo tinha cerca de 550 milhões de anos. O resultado foi baseado nos primeiros mapas de todo o céu da polarização da Radiação Cósmica de Fundo pelo Planck, obtidos com o seu instrumento LFI (Low-Frequency Instrument).

Agora, uma nova análise de dados de outro detetor do Planck, o HFI (High-Frequency Instrument), que é mais sensível a este fenómeno do que qualquer outro até agora, mostra que essa reionização começou ainda mais tarde - muito mais tarde do que quaisquer outros dados anteriores sugeriam. "As medições altamente sensíveis do HFI demonstraram claramente que a reionização foi um processo muito rápido, começando relativamente tarde na história cósmica e tendo reionizado o Universo a 50% quando este tinha mais ou menos 700 milhões de anos," comenta Jean-Loup Puget do Institut d'Astrophysique Spatiale em Orsay, França, investigador principal do HFI do Planck. "Estes resultados estão agora ajudando-nos a modelar o início da fase de reionização."

"Nós também confirmámos que não são necessários outros agentes, além das primeiras estrelas, para reionizar o Universo," salienta Matthieu Tristram, cientista da Colaboração Planck do Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire em Orsay, França. O novo estudo localiza a formação das primeiras estrelas muito mais tarde do que se pensava na linha do tempo cósmico, sugerindo que a observação da primeira geração de galáxias está bem ao alcance dos instrumentos astronómicos futuros e, possivelmente, até mesmo de alguns dos atuais.

Na verdade, é provável que algumas das primeiras galáxias já tenham sido detetadas com exposições longas, como o Hubble Ultra Deep Field do Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA, e será mais fácil do que o esperado avistar muitas mais com observatórios futuros como o James Webb da NASA/ESA/CSA.