O fim do “amanhecer cósmico”

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Representação esquemática da história cósmica proporcionada pela luz brilhante de quasares distantes. A observação com um telescópio (inferior esquerdo) permite-nos obter informações sobre a chamada época da reionização (“bolhas” em cima à direita) que se seguiu à fase do Big Bang (em cima à direita).
Crédito: Instituto Carnegie para Ciência/Instituto Max Planck para Astronomia (anotações)

Um grupo de astrónomos liderado por Sarah Bosman do Instituto Max Planck para Astronomia cronometrou robustamente o fim da época da reionização do gás hidrogénio neutro para cerca de 1,1 mil milhões de anos após o Big Bang. A reionização começou quando a primeira geração de estrelas se formou após a “idade das trevas” cósmica, um longo período em que só o gás neutro preenchia o Universo sem quaisquer fontes de luz.

O novo resultado resolve um debate que durou duas décadas e baseia-se nas assinaturas de radiação de 67 quasares com impressões do gás hidrogénio por onde a luz passou antes de chegar à Terra. A determinação do fim deste “amanhecer cósmico” vai ajudar a identificar as fontes ionizantes: as primeiras estrelas e galáxias.

O Universo passou por diferentes fases desde o seu início até ao seu estado actual. Durante os primeiros 380.000 anos após o Big Bang, era um plasma ionizado quente e denso. Após este período, arrefeceu o suficiente para que os protões e electrões que preenchiam o Universo se pudessem combinar em átomos de hidrogénio neutros. Durante a maior parte desta “idade das trevas”, o Universo não tinha fontes de luz visível.

Com o advento das primeiras estrelas e galáxias, cerca de 100 milhões de anos mais tarde, esse gás tornou-se gradualmente ionizado pela radiação UV (ultravioleta) das estrelas novamente. Este processo separa os electrões dos protões, deixando-os como partículas livres. Esta era é geralmente conhecida como “amanhecer cósmico”.

Hoje em dia, todo o hidrogénio espalhado entre galáxias, o gás intergaláctico, está totalmente ionizado. Contudo, quando isso aconteceu é um tema muito discutido entre os cientistas e um campo de investigação altamente competitivo.

Um fim tardio do amanhecer cósmico

Uma equipa internacional de astrónomos liderada por Sarah Bosman do Instituto Max Planck para Astronomia em Heidelberg, Alemanha, determinou agora com precisão o fim da época da reionização para 1,1 mil milhões de anos após o Big Bang. “Estou fascinada com a ideia das diferentes fases pelas quais o Universo passou, levando à formação do Sol e da Terra.

É um grande privilégio contribuir com uma nova pequena peça para o nosso conhecimento da história cósmica,” diz Sarah Bosman. Ela é a principal autora do artigo científico publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Frederick Davies, também astrónomo do mesmo instituto e co-autor do artigo, comenta: “Até há poucos anos, a sabedoria predominante era que a reionização tinha terminado quase 200 milhões de anos antes. Aqui temos agora a evidência mais forte de que o processo terminou muito mais tarde, durante uma época cósmica mais facilmente observável pelas instalações de observação da geração actual”. Esta correcção temporal pode parecer marginal, considerando os milhares de milhões de anos desde o Big Bang.

No entanto, mais algumas centenas de milhões de anos foram suficientes para produzir várias dúzias de gerações estelares na evolução cósmica inicial. A determinação da era do “amanhecer cósmico” condiciona a natureza e a vida das fontes ionizantes presentes durante as centenas de milhões anos que durou.

Esta abordagem indirecta é actualmente a única forma de caracterizar os objectos que levaram ao processo de reionização. A observação directa destas primeiras estrelas e galáxias está para além das capacidades dos telescópios contemporâneos.

São simplesmente demasiado ténues para obter dados úteis dentro um período de tempo razoável. Mesmo instalações de próxima geração como o ELT (Extremely Large Telescope) do ESO ou o Telescópio Espacial James Webb podem ter dificuldades com tal tarefa.

Quasares como sondas cósmicas

Para investigar quando o Universo ficou totalmente ionizado, os cientistas aplicam métodos diferentes. Um deles é medir a emissão de gás hidrogénio neutro na famosa linha espectral de 21 centímetros. Ao invés, Sarah Bosman e colegas analisaram a luz recebida de fortes fontes de fundo. Utilizaram 67 quasares, os discos brilhantes de gás quente que rodeiam os buracos negros massivos centrais em galáxias activas distantes.

Ao olhar para o espectro de um quasar, que visualiza a sua intensidade disposta ao longo dos comprimentos de onda observados, os astrónomos encontram padrões onde parece faltar luz. É a isto que os cientistas chamam linhas de absorção. O gás hidrogénio neutro absorve esta porção de luz ao longo da sua viagem desde a fonte até ao telescópio. Os espectros desses 67 quasares são de uma qualidade sem precedentes, o que foi crucial para o sucesso deste estudo.

O método envolve olhar para uma linha espectral equivalente a um comprimento de onda de 121,6 nanómetros (1 nanómetro equivale a 1×10^-9 metros). Este comprimento de onda pertence à gama UV e é a linha espectral de hidrogénio mais forte. No entanto, a expansão cósmica desvia o espectro do quasar para comprimentos de onda mais longos quanto mais longe a luz viaja.

Portanto, o desvio para o vermelho da linha de absorção UV observada pode ser traduzido para a distância da Terra. Neste estudo, o efeito deslocou a linha UV para o infravermelho à medida que alcançava o telescópio.

Dependendo da fracção entre o gás de hidrogénio neutro e o gás de hidrogénio ionizado, o grau de absorção, ou inversamente, a transmissão através de uma tal nuvem, atinge um valor particular. Quando a luz encontra uma região com uma fracção elevada de gás ionizado, não pode absorver a radiação UV de forma eficiente. Esta propriedade é o que a equipa estava à procura.

A luz do quasar passa por muitas nuvens de hidrogénio a diferentes distâncias ao longo do seu trajecto, cada uma delas deixando a sua marca em pequenos desvios para o vermelho da gama UV. Em teoria, a análise da mudança na transmissão por cada linha desviada para o vermelho deveria produzir o tempo ou distância em que o gás hidrogénio ficou totalmente ionizado.

Os modelos ajudam a desembaraçar as influências concorrentes

Infelizmente, as circunstâncias são ainda mais complicadas. Desde o fim da reionização, apenas o espaço intergaláctico está totalmente ionizado. Existe uma rede de matéria parcialmente neutra que liga as galáxias e enxames de galáxias, chamada “teia cósmica”. Onde o gás hidrogénio é neutro, deixa também a sua marca na luz do quasar.

Para desembaraçar estas influências, a equipa aplicou um modelo físico que reproduz variações medidas numa época muito posterior, quando o gás intergaláctico já estava totalmente ionizado. Quando compararam o modelo com os seus resultados, descobriram um desvio num comprimento de onda em que a linha dos 121,6 nanómetros foi deslocada por um factor de 5,3 vezes correspondente a uma idade cósmica de 1,1 mil milhões de anos.

Esta transição indica o tempo em que as mudanças na luz medida do quasar se tornam inconsistentes com as flutuações apenas da teia cósmica. Portanto, esse foi o período mais recente em que o gás hidrogénio neutro deve ter estado presente no espaço intergaláctico e, subsequentemente, se tornou ionizado. Era o fim do “amanhecer cósmico”.

O futuro é promissor

“Este novo conjunto de dados fornece uma referência crucial contra a qual as simulações numéricas dos primeiros mil milhões de anos do Universo serão testadas nos próximos anos,” diz Frederick Davies. Elas vão ajudar a caracterizar as fontes ionizantes, as primeiras gerações de estrelas.

“A direcção futura mais excitante para o nosso trabalho é expandi-lo para tempos ainda anteriores, em direcção ao ponto médio do processo de reionização,” salienta Sarah Bosman. “Infelizmente, distâncias maiores significam que aqueles primeiros quasares são significativamente mais fracos. Por conseguinte, a área de recolha alargada de telescópios da próxima geração, como o ELT, será crucial.”

Astronomia On-line
10 de Junho de 2022


 

1205: O Telescópio Espacial Hubble capta a maior imagem no infravermelho próximo a fim de encontrar as galáxias mais raras do Universo

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Galáxias dos últimos 10 mil milhões de anos testemunhadas no programa 3D-DASH, criado usando imagens 3D-DASH/F160W e ACS-COSMOS/F814W Crédito: Lamiya Mowla

Uma equipa internacional de cientistas divulgou recentemente a maior imagem no infravermelho próximo jamais obtida pelo Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA, permitindo aos astrónomos mapear as regiões de formação estelar do Universo e aprender como tiveram origem as primeiras e mais distantes galáxias.

Denominado 3D-DASH, este levantamento de alta resolução permitirá aos investigadores encontrar objectos e alvos raros para observações de seguimento com o recentemente lançado Telescópio Espacial James Webb durante a sua missão de décadas.

Uma pré-impressão do artigo a ser publicado na revista The Astrophysical Journal está disponível no website arXiv.

“Desde o seu lançamento, há mais de 30 anos, que o Telescópio Espacial Hubble tem liderado um renascimento no estudo de como as galáxias mudaram nos últimos 10 mil milhões de anos do Universo,” diz Lamiya Mowla, do Instituto de Astronomia e Astrofísica da Faculdade de Artes e Ciências da Universidade de Toronto e autora principal do estudo.

“O programa 3D-DASH estende o legado do Hubble em imagens de área ampla para que possamos começar a desvendar os mistérios das galáxias para lá da nossa.”

Pela primeira vez, o 3D-DASH fornece aos investigadores um levantamento no infravermelho próximo quase completo de todo o campo COSMOS, um dos mais ricos campos de dados para estudos extra-galácticos para lá da Via Láctea. Sendo o comprimento de onda mais longo e avermelhado observável com o Hubble – logo para além do que é visível ao olho humano -, o infravermelho próximo significa que os astrónomos são mais capazes de ver as primeiras galáxias, que estão mais distantes.

Os astrónomos também precisaram de procurar numa vasta área do céu para encontrar objectos raros no Universo. Até agora, uma imagem tão grande só estava disponível a partir do solo e sofria de má resolução, o que limitava o que podia ser observado. O 3D-DASH ajudará a identificar fenómenos únicos como as galáxias mais massivas do Universo, buracos negros altamente activos e galáxias à beira de colidir e fundir-se numa só.

“Eu sou muito curiosa no que toca às galáxias monstruosas, que são as mais massivas do Universo formadas pela fusão de outras galáxias. Como cresceram as suas estruturas, e o que impulsionou as mudanças na sua forma?” diz Mowla, que começou a trabalhar no projecto em 2015 como estudante na Universidade de Yale. “Foi difícil estudar estes acontecimentos extremamente raros utilizando imagens existentes, o que motivou o design deste grande levantamento.”

Para fotografar uma zona do céu tão extensa, os investigadores utilizaram uma nova técnica com o Hubble conhecida como DASH (Drift And SHift). A técnica DASH cria uma imagem que é oito vezes maior do que o campo de visão padrão do Hubble, capturando várias exposições que são depois reunidas num único mosaico, semelhante ao modo como obtemos panoramas num smartphone.

A DASH também tira imagens mais rapidamente do que a técnica normalmente usada, tirando oito exposições por órbita do Hubble em vez de apenas uma, conseguindo em 250 horas o que teria anteriormente levado 2000 horas.

“O 3D-DASH acrescenta uma nova camada de observações únicas no campo COSMOS e é também um ponto de partida para os levantamentos espaciais da próxima década,” diz Ivelina Momcheva, chefe da ciência de dados do Instituto Max Planck para Astronomia e investigadora principal do estudo. “Dá-nos uma espreitadela das futuras descobertas científicas e permite-nos desenvolver novas técnicas para analisar estes grandes conjuntos de dados.”

O 3D-DASH cobre uma área total quase seis vezes maior do que o tamanho aparente da Lua no céu. É provável que este recorde permaneça inalterado pelo sucessor do Hubble, o James Webb, que está ao invés construído para imagens sensíveis e bastante ampliadas a fim de captar pequenos detalhes de uma pequena área.

É a maior imagem do céu no infravermelho próximo disponível para os astrónomos até ao lançamento da próxima geração de telescópios, na próxima década, como o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman e o Euclid.

Até lá, tanto os astrónomos profissionais como os observadores amadores podem explorar os céus utilizando uma versão online interactiva da imagem 3D-DASH criada por Gabriel Brammer, membro do corpo docente do Centro Cosmic Dawn no Instituto Niels Bohr, na Universidade de Copenhaga.

Astronomia On-line
10 de Junho de 2022


 

1204: Astrofotografia lunar em 11.06.2022

Flag for Portugal Lisbon, Portugal — Moonrise, Moonset, and Moon Phases, Junho 2022

Moon: 90.9%

Waxing Gibbous

Current Time: 12 de Jun de 2022, 0:13:27
Moon Direction: 198,50° SSW
Moon Altitude: 32,45°
Moon Distance: 365.615 km
Next Full Moon: 14 de Jun de 2022, 12:51
Next New Moon: 29 de Jun de 2022, 3:52
Next Moonset: Today, 4:21

Stellarium

11.06.2022

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