Fonte oculta do misterioso brilho no início do universo finalmente revelada

O Universo muito jovem era um lugar escuro e opressivo, dominado por hidrogénio capaz de bloquear a luz e com pouco mais para oferecer.

Só quando as primeiras estrelas “acenderam” e começaram a banhar o meio envolvente com radiação ultravioleta é que a luz passou a impor-se. Esse período ficou conhecido como Época da Reionização.

Ainda assim, antes de o cosmos ficar verdadeiramente iluminado, um tipo específico e intrigante de brilho conseguiu atravessar a penumbra: as emissões de Lyman-alfa.

Apesar de, nessa fase inicial, a luz ter dificuldade em propagar-se através do gás denso e opaco que preenchia o espaço, os astrónomos detetaram algumas linhas de Lyman-alfa anteriores ao “acender das luzes” da Época da Reionização. A pergunta tornou-se inevitável: de onde vinha essa radiação?

O que são emissões e linhas de Lyman-alfa (e a “floresta” correspondente)

As emissões de Lyman-alfa situam-se no ultravioleta e são produzidas por átomos de hidrogénio quando os seus eletrões transitam para um estado energético específico. Estas assinaturas espectrais integram aquilo a que os astrónomos chamam floresta de Lyman-alfa.

A floresta é composta por uma sequência de linhas de absorção associadas ao hidrogénio presente ao longo da linha de visão para objetos muito distantes. À medida que a luz atravessa nuvens de gás com diferentes desvios para o vermelho, surgem múltiplas marcas no espectro, formando esse “bosque” de linhas de Lyman-alfa.

Segundo os autores de um novo estudo, explicar a deteção inesperada de Lyman-alfa em galáxias tão antigas continua a ser um dos maiores desafios em estudos extragalácticos.

Um novo estudo e um problema antigo

O trabalho foi publicado na revista Nature Astronomia e apresenta uma proposta concreta para resolver o enigma. O artigo intitula-se “Decifrar a emissão de Lyman-alfa em plena época da reionização”. O autor principal é Callum Witten, investigador do Instituto Kavli de Cosmologia da Universidade de Cambridge (Reino Unido).

Witten resumiu o dilema de forma direta: observações anteriores já tinham mostrado luz associada ao hidrogénio no Universo muito inicial, quando essa radiação deveria ter sido completamente travada pelo gás neutro primordial formado após o Big Bang. Ao longo dos anos, foram avançadas várias hipóteses para justificar esta aparente “fuga” de uma emissão que parecia impossível.

O JWST entra em cena

A mudança decisiva veio com o Telescópio Espacial James Webb (JWST). Um dos objetivos centrais da missão foi precisamente olhar para trás no tempo e observar as primeiras fases da história cósmica.

A capacidade do JWST para captar fotões provenientes das estrelas nas primeiras galáxias abriu uma nova janela para o Universo primordial. Com elevada sensibilidade e boa resolução angular, o telescópio consegue seguir a luz antiga até às suas regiões de origem com um detalhe antes inatingível.

Os investigadores exploraram imagens de alta resolução e alta sensibilidade obtidas com a Câmara de Infravermelho Próximo do JWST e concluem que, em todas as galáxias de uma amostra de emissores de Lyman-alfa com desvio para o vermelho superior a 7, existem companheiros muito próximos. Esta constatação tem implicações profundas para a interpretação das emissões.

Fusões galácticas e emissões de Lyman-alfa: o que o JWST revelou

As novas imagens do emissor de Lyman-alfa LAE EGSY8p68 mostram uma riqueza de estrutura que não era visível com o Telescópio Espacial Hubble (HST). Onde o Hubble distinguia essencialmente uma grande galáxia, o JWST resolve um conjunto de galáxias menores e mais ténues em torno da fonte principal. O cenário é, afinal, muito mais povoado e dinâmico, com intensa formação estelar.

Um dos coautores, Sergio Martin-Alvarez (Universidade de Stanford), sintetizou o impacto desta revelação: o que parecia uma única galáxia revela-se, com o JWST, como um sistema de pequenas galáxias em interação - e isso altera substancialmente a forma como se entende a emissão inesperada de hidrogénio nas primeiras galáxias.

As galáxias primitivas eram fábricas extraordinárias de estrelas e, por isso, fontes ricas em Lyman-alfa. No entanto, grande parte dessa radiação deveria ter sido absorvida pelo hidrogénio neutro primordial entre as galáxias. Então, que significa o facto de muitos Emissores de Lyman-alfa (LAE) surgirem com vizinhos próximos?

Para os autores, o padrão aponta para um motor específico: fusões e interações galácticas, que desencadeiam episódios muito vigorosos de formação estelar.

Porque é que os vizinhos importam

A lógica proposta no estudo é a seguinte:

• Interações e fusões aumentam a taxa de formação estelar.
• A formação estelar intensa eleva a produção de fotões capazes de originar emissões de Lyman-alfa.
• Ao mesmo tempo, essa atividade pode abrir “caminhos” no meio circundante, reduzindo o bloqueio imposto pelo hidrogénio neutro.

Simulações Azahar: testar a ideia com modelos

Para avaliar esta explicação, a equipa recorreu a simulações de fusões e interações galácticas chamadas Azahar. Os resultados sugerem que, à medida que a massa estelar se acumula e novas estrelas se formam, ocorrem dois processos complementares:

1. As estrelas produzem emissões de Lyman-alfa.
2. A mesma atividade gera bolhas e canais de hidrogénio ionizado no meio dominado por hidrogénio neutro que bloqueia a luz.

Essas bolhas e canais funcionariam como corredores que permitem que parte da radiação de Lyman-alfa escape, mesmo num Universo ainda pouco transparente.

Este enquadramento também implica que existiam mais fusões galácticas no Universo jovem do que se conseguia detetar antes do início das observações do JWST.

Figura (descrição) e interpretação

Uma figura do estudo ajuda a visualizar a conclusão. Os painéis superior esquerdo e inferior esquerdo mostram duas observações do LAE EGSY8p68: a de cima obtida com o JWST e a de baixo com o HST. A maior capacidade de resolução do JWST expõe companheiros próximos que o Hubble não conseguia separar.

Os painéis identificados como b a e correspondem a imagens da simulação de fusão galáctica Azahar. Duas dessas imagens são reconstruções do que o JWST observaria num cenário de fusão, e assemelham-se fortemente ao que se vê na observação real. No painel e, a cor púrpura representa a densidade de emissões de Lyman-alfa. (Witten e colaboradores, 2023)

O que isto significa para a Época da Reionização

Em termos simples, o estudo argumenta que a elevada taxa de fusões galácticas no Universo jovem explica a presença aparentemente misteriosa de emissões de Lyman-alfa: as fusões produzem a radiação e, simultaneamente, criam condições para que ela atravesse o hidrogénio neutro opaco.

Um ponto adicional importante é que, a estes desvios para o vermelho extremos, pequenas diferenças de ambiente podem alterar muito o que se observa: uma galáxia isolada pode ver a sua Lyman-alfa sufocada, enquanto um sistema em interação - com mais radiação e mais ionização local - pode tornar-se visível, mesmo antes de a transparência cósmica estar estabelecida em larga escala.

Também é provável que a geometria do gás desempenhe um papel decisivo: a abertura de “janelas” ionizadas não precisa de ser uniforme. Basta existirem linhas de vista favoráveis, esculpidas por ventos e pela própria distribuição do meio, para que parte das emissões chegue até nós.

Próximos passos

A equipa pretende avançar com observações mais detalhadas de galáxias em diferentes fases de fusão, para refinar o cenário e testar de forma mais exigente a ligação entre interações, formação estelar e escape de Lyman-alfa.

Este artigo foi originalmente publicado pela Universe Today.