As Primeiras Estrelas Foram Formadas Ainda Mais Tarde Do Que Se Pensava

Com a multitude de estrelas e galáxias que povoam o universo atual, é difícil imaginar o quão diferente o nosso cosmos de 13,8 bilhões de anos era quando ele tinha apenas alguns segundos de idade. Nessa fase inicial, era uma sopa primordial quente e densa de partículas, principalmente eletrões, protões, neutrões e fotões - as partículas de luz.

Num ambiente tão denso, o Universo apareceu como um nevoeiro “opaco”, uma vez que as partículas de luz não podiam viajar a qualquer distância significativa antes de colidir com eletrões.

À medida que o cosmos expandiu, o Universo arrefeceu e tornou-se mais rarefeito e, depois de cerca de 380 000 anos, tornou-se finalmente “transparente”. Nessa altura as colisões de partículas eram extremamente esporádica e os fotões podiam viajar livremente através do cosmos.

Hoje, telescópios como o Planck podem observar esta luz fóssil por todo o céu como a Microradiação Cósmica de Fundo, ou CMB (Cosmic Microwave Background). A sua distribuição no céu revela pequenas flutuações que contêm uma riqueza de informações sobre a história, composição e geometria do Universo.

O lançamento do CMB aconteceu no momento em que ao eletrões e os protões se uniram para formar átomos de hidrogénio. Este é o primeiro momento na história do cosmos em que a matéria estava num estado eletricamente neutro.

Depois disso, passaram-se algumas centenas de milhões de anos antes que estes átomos pudessem agrupar-se e, eventualmente, dar origem à primeira geração de estrelas do Universo.

À medida que estas estrelas ganharam vida, encheram os seus arredores com a luz, que, posteriormente, dividiu átomos neutros, transformando-os de volta nas suas partículas constituintes: eletrões e protões. Os cientistas referem-se a isso como a “época de reionização”. Não demorou muito para que a maioria do material no Universo se tornar completamente ionizado, e - exceto nalguns lugares isolados - tem sido assim desde então.

Observações de galáxias muito distantes que contêm buracos negros supermassivos indicam que o Universo tenha sido completamente ionizado na altura que atingiu cerca de 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.

“O CMB pode dizer-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 a medição, os cientistas exploraram o fato de uma fração do CMB estar polarizada, uma parte da luz vibra numa direção preferida.

Estes resultados do CMB dos fotões saltarem dos eletrões - algo que aconteceu muito frequentemente na sopa primordial, antes do CMB ter sido lançado, e depois novamente mais tarde, depois de reionização, quando a luz das primeiras estrelas trouxe eletrões livres de volta para o palco cósmico.

“É nas pequenas flutuações da polarização CMB 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 a partir da Sonda Wilkinson de Anisotropia e Microradiação da NASA (WMAP - Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), sugerindo que este processo pode ter começado no início da história cósmica, quando o Universo tinha apenas um par de centenas de milhões de anos. Este resultado foi problemático, porque não há evidência de que quaisquer estrelas tenham sido formadas naquela altura, o que significaria postular a existência de outras fontes exóticas, que poderiam ter causado a reionização naquele momento.

Esta primeira estimativa foi corrigida em seguida, à medida que dados posteriores da WMAP empurraram o tempo para épocas posteriores, indicando que o Universo não havia sido significativamente reionizado até pelo menos 450 milhões de anos na sua história.

Isso aliviou, mas não resolveu completamente o quebra-cabeça: embora a primeira das primeiras estrelas ter sido observada como estando presente já quando o universo tinha 300 a 400 milhões de anos, não ficou claro se essas estrelas foram os principais culpados pela reionização plena do cosmos ou se ao contrário, fontes mais exóticas adicionais tenham desempenhado um papel também.

Em 2015, a Colaboração Planck forneceu novos dados para resolver o problema, movendo a época de reionização para mais tarde na história cósmica e revelando que este processo estava mais ou menos a meio, quando o Universo tinha cerca de 550 milhões de anos. O resultado baseou-se nos primeiros mapas dos céus do Planck da polarização CMB, obtidos com o seu Instrumento de Baixa Frequência (LFI - Low-Frequency Instrument).

Agora, uma nova análise dos dados a partir de outro detetor do Planck, o Instrumento de Alta Frequência (HFI - High-Frequency Instrument), que é mais sensível a este fenómeno que qualquer outro até ao momento, mostra que a reionização começou mesmo mais tarde - muito mais tarde do que quaisquer dados anteriores sugeriram.

“As medições altamente sensíveis do HFI têm demonstrado claramente que a reionização foi um processo muito rápido, começando relativamente tarde na história cósmica e tendo reionizado meio Universo no momento em que este tinha cerca de 700 milhões de anos”, diz Jean-Loup Puget do Instituto de Astrofísica Espacial em Orsay, França, Investigador Principal do HFI do Planck.

“Estes resultados estão agora a ajudar-nos a modelar o início da fase de reionização.”

“Nós também confirmámos que há outros agentes necessários, além das primeiras estrelas, para reionizar o Universo”, acrescenta Matthieu Tristram, um cientista da Colaboração Planck pelo Laboratório de Aceleração Linear em Orsay, França.

O novo estudo localiza a formação das primeiras estrelas muito mais tarde do que se pensava na linha do tempo cósmico, o que sugere que a primeira geração de galáxias está bem ao alcance da observação de futuras instalações astronómicas e, possivelmente, até mesmo de algumas das atuais.

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

Notas Aos Editores

‘Planck intermediate results. XLVII. Planck constraints on reionization history’ (Resultados intermedédios de Planck. XVII. Restrições de Planck sobre a história da reionização) e ‘Planck intermediate results. XLVI. Reduction of large-scale systematic effects in HFI polarization maps and estimation of the reionization optical depth’ (Resultados intermédios de Planck. XVI. Redução dos efeitos sistemáticos em larga escala nos mapas de polarização HFI e estimativa da profundidade ótica de reionização) pela Colaboração Planck encontram-se publicados na Astronomy and Astrophysics.

Mais Sobre Planck

Lançado em 2009, Planck foi desenhado para mapear o céu em nove frequências utilizando dois instrumentos ‘state-of-the-art’: o Instrumento de Baixa Frequência (LFI), que inclui três bandas de frequências na gama de 30-70 GHz, e o Instrumento de Alta Frequência (HFI), que inclui seis bandas de frequências na gama de 100-857 GHz.

O HFI completou a sua pesquisa em Janeiro de 2012, enquanto o LFI continuou a fazer observações científicas até 3 de Outubro de 2013, antes de ser desligado a 19 de Outubro de 2013. Sete dos nove canais de frequência do Planck foram equipados com detetores sensíveis à polarização.

A Colaboração Científica Planck é composta por todos os cientistas que contribuíram para o desenvolvimento da missão e que participam na exploração científica dos dados durante o período patenteado.

Estes cientistas são membros de um ou mais dos quatro consórcios: o Consórcio LFI, o Consórcio HFI, o Consórcio DK-Planck, e o Gabinete de Ciência Planck da ESA. Os dois Centros de Processamento de Dados Planck Europeus estão localizados em Paris, França e Trieste, Itália.

O consórcio LFI é liderado por N. Mandolesi, Università degli Studi di Ferrara, Itália (vice-PI: M. Bersanelli, Università degli Studi di Milano, Itália), e foi responsável pelo desenvolvimento e operação do LFI. O consórcio HFI é liderado por JL Puget, Instituto de Astrofísica Espacial em Orsay (CNRS/Université Paris-Sud), França (vice-PI: F. Bouchet, Instituto de Astrofísica de Paris (CNRS/UPMC), França), e foi responsável pelo desenvolvimento e operação do HFI.

Para Informaçoes Adicionais É Favor Contatar

Jan Tauber
ESA Planck Project Scientist
Scientific Support Office
Directorate of Science
European Space Agency
Email: jan.tauberesa.int
Phone: +31-71-565-5342

Jean-Loup Puget
Principal Investigator, High Frequency Instrument
Institut d'Astrophysique Spatiale
Orsay, France
Email: jean-loup.pugetias.u-psud.fr
Phone: +33-169858665

Matthieu Tristram
CNRS - IN2P3
Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire
Université Paris-Sud 11
Orsay, France
Email: tristramlal.in2p3.fr
Phone: +33-164468388