A primeira luz no Universo Understand article

Traduzido por Pedro Augusto. Ana Lopes e Henri Boffin levam-nos numa viagem para trás no tempo – sondando a história do Universo.

Já alguma vez se perguntou quando começaram a brilhar as primeiras luzes do Universo? A maior parte de nós já viu o nascer do Sol de manhã, o advento de um novo dia. Os astrónomos vão um passo mais longe e procuram as fontes de luz primordiais – penetrando na história do Universo com poderosos telescópios. Aspiram a algo ainda mais ambicioso: registar toda a história do Universo, desde o seu nascimento – no Big Bang – até ao presente, quase 14 mil milhões (14 biliões) de anos mais tarde.

Fotografias do Universo

Apenas 400 mil anos depois do Big Bang conseguiu a luz viajar livremente pelo Universo. Desde o Big Bang que o Universo tem estado em expansão e arrefecimento (para uma descrição, ver Boffin & Pierce-Price, 2007), esticando a frequência daquela luz primordial, até poder ser detetada hoje em dia como fotões em micro-ondas: a radiação cósmica de fundo, vinda de todos os cantos do Universo.

Os historiadores recorrem frequentemente a fotografias e imagens para entender o passado e, no que a isto respeita, os astrónomos não são diferentes.

Utilizando os satélites COBE (Cosmic Background Explorer) e Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)^w1 para mapear a radiação cósmica de fundo, os astrónomos criaram uma ‘fotografia’ do Universo tal como ele era 400 mil anos após o Big Bang. Os dados do COBE deram direito ao Prémio Nobel da Física a John Mather e George Smoot em 2006.^w2

O modelo cosmológico standard da evolução do Universo diz-nos que cerca de 400 mil anos depois do Big Bang o Universo arrefeceu para 3000 graus Kelvin, uma temperatura baixa o suficiente para que todos os eletrões e protões se combinassem, formando hidrogénio neutro a partir do gás ionizado. Os eletrões no hidrogénio neutro (bem como em outros átomos ou moléculas) absorvem fotões de forma muito eficiente. Assim, um Universo cheio de hidrogénio neutro é opaco. Ao contrário, quando os protões e eletrões estão separados, não conseguem capturar fotões e, por isso, um Universo cheio de gás ionizado é relativamente transparente. Era essa a situação até cerca de 400 mil anos após o Big Bang e é também essa a situação atual. Os mapas do COBE e do WMAP mostram-nos o Universo durante a sua fase opaca, no início da ‘Idade das Trevas’. Este período terminou quando o Universo se reionizou (ver diagrama à direita).

Temos também ‘fotografias’ de um Universo muito mais recente: galáxias cheias de estrelas, como eram mil milhões de anos depois do Big Bang – assim que o Universo se tornou transparente outra vez. Devido à velocidade finita da luz (300 mil km/s), a radiação de fontes distantes leva muito mais tempo a chegar até nós do que a de fontes próximas; assim, vemos os objetos mais longínquos como eles eram menos de mil milhões de anos após o Big Bang, tendo a respetiva luz viajado durante quase 13 mil milhões de anos.

Mas o que aconteceu entre estas duas fotografias, entre a libertação da radiação cósmica de fundo 400 mil anos após o Big Bang e a luz emitida pelas galáxias mais distantes, quase mil milhões de anos depois? Quando e como se levantou o nevoeiro cósmico? O que transformou um mar de partículas quase sem estrutura num Universo iluminado por numerosas estrelas em galáxias jovens?

Como o astrónomo Abraham Loeb da Harvard University a coloca: “A situação em que os astrónomos se encontram é semelhante à de ter um álbum fotográfico com a primeira imagem ultrasónica de um feto e mais algumas fotos desse mesmo indivíduo quando adolescente e adulto” (Loeb, 2006). O que os cientistas não sabem – mas estão a tentar descobrir – é quando e como as primeiríssimas estrelas e galáxias nasceram. Loeb continua: “Os astrónomos estão à procura das páginas em falta no álbum cósmico; daquelas que mostram como o Universo evoluiu durante a sua infância, quando implantou as fundações de galáxias como a nossa Via Láctea.”

Antes das primeiras estrelas se formarem, o Universo continha, principalmente, hidrogénio, hélio e, em muito menor grau, outros elementos leves (como descrito em Rebusco et al., 2007). A ionização do hidrogénio requer mais de 13.6 eV em energia: este nível energético corresponde a fotões no ultravioleta (UV). Assim, o que quer que seja que tenha reionizado o Universo tem de ter libertado imensas quantidades de radiação UV.

Embora os astrónomos ainda não tenham a certeza do que poderia ter libertado esta ionizante radiação UV especulam que: i) ou foram as primeiras e muito quentes estrelas; ii) ou buracos negros iniciais que libertaram imensas quantidades de radiação UV enquanto consumiam matéria. No primeiro caso, essas estrelas ter-se-iam formado antes da época de reionização. Assim, se conseguirmos datar a reionização temos, ao menos, a época mais tardia possível para a formação das primeiras estrelas.

A pegada ultravioleta

Em 1965 os astrónomos americanos James Gunn e Bruce Peterson previram que o espetro de quasares poderia ser utilizado para datar os últimos estágios da época de reionização. Os quasares  são extremamente brilhantes: correspondem aos núcleos ativos de galáxias  muito distantes/antigas, onde existirão buracos negros gigantes alimentados por material que neles cai. Se um quasar estiver tão distante que a luz que dele observamos escapou durante a ‘idade das trevas’, a sua radiação UV foi aborvida pelo hidrogénio neutro existente na altura. Para quasares mais próximos, a sua luz só foi emitida depois da reionização pelo que não existirá hidrogénio neutro para impedir a chegada dos UV até nós (ver o diagrama abaixo). (Embora os átomos de hidrogénio absorvam outros comprimentos de onda da luz, estes são libertados, na sua maioria. Os UV são totalmente aborvidos, porque ionizam os átomos.)

Mesmo que apenas uma pequena parte do meio interestelar (tão pequena quanto uma no milhão) fosse neutra quando o quasar libertou a radiação que agora vemos na Terra, esta deixaria uma marca inconfundível no espetro – uma supressão da luz no UV conhecida como a ‘falha de Gunn-Peterson’.

Assim, James Gunn e Bruce Peterson previram que quasares para além de uma certa distância da Terra, para os quais observamos radiação libertada antes do final da reionização, teriam uma ‘falha’ nos seus espetros. Para quasares mais próximos isto não aconteceria – libertaram a luz que hoje vemos na Terra apenas depois do término da reionização.

Em 2001, uma equipa de cientistas liderada por Robert Becker da Universidade da Califórnia (EUA) confirmou a previsão de Gunn e Peterson: detetaram claramente uma falha no espetro de um quasar muito distante descoberto durante a Sloan Digital Sky Survey^w3, um gigantesco rastreio astronómico que estudou os espetros de cerca de cem mil quasares. A falha encontrava-se na região infravermelha do espetro devido ao quasar se encontrar tão distante: a sua luz iniciou a viagem para a Terra apenas cerca de 900 milhões de anos depois do Big Bang, tendo levado quase 13 mil milhões de anos a chegar até nós; durante este período, a radiação UV inicial foi ‘esticada’ (desviada para o vermelho) até ao infravermelho pela expansão do Universo. Quasares um pouco mais próximos da Terra não mostram a falha. Isto sugere que os últimos restos de hidrogénio neutro no Universo foram ionizados cerca de 900 milhões de anos depois do Big Bang.

A pegada das micro-ondas

A radiação cósmica de fundo em micro-ondas libertada pouco depois do Big Bang é outra fonte de informação sobre a época de reionização.

Enquanto o Universo começava a ficar reionizado, os eletrões libertados afetavam a polarização da radiação. Um eletrão livre pode interagir com um fotão num processo chamado de ‘dispersão’ de Thomson: o eletrão é acelerado e a radiação incidente é polarizada na direção  do seu movimento. Este efeito foi mais importante durante e imediatamente após a reionização; mais tarde, devido à expansão do Universo, a densidade de eletrões livres decaiu, reduzindo a sua capacidade polarizadora.

Entre 2001 e 2006 o satélite WMAP^w1 foi utilizado para estudar o grau de polarização dos fotões em micro-ondas do ruído cósmico de fundo. Observando em diferentes frequências, os astrónomos puderam estudar diferentes períodos da história do Universo –  o grau de polarização dá uma indicação da densidade de eletrões livres em cada época (quanto maior o grau, mais elevada a densidade). A partir destes estudos concluiu-se que a reionização começou cerca de 400 milhões de anos após o Big Bang e terminou 400 a 500 milhões de anos mais tarde; este último resultado bate certo com a informação dos quasares que coloca o término da reionização nos 900 milhões de anos após o Big Bang.

Investigação futura

Em 14 de Maio de 2009 a Agência Espacial Europeia^w4 lançou o satélite Planck^w5 para nos fornecer uma fotografia do ruído cósmico de fundo com ainda mais sensibilidade e resolução angular do que o WMAP conseguiu. Ajudará, certamente, os astrónomos a responder em mais detalhe à questão de como o Universo evoluiu de uma sopa brilhante para aquilo que vemos hoje em dia.

Embora a época de reionização tenha sido localizada com sucesso, ainda falta uma fotografia do Universo dessa altura, uma vez que os atuais telescópios não a conseguem produzir. As boas notícias, contudo, são que o Observatório Europeu do Sul (ESO), junto com astrónomos e engenheiros de toda a Europa, estão neste momento a desenhar o  European Extremely Large Telescope^w6, com 42 m de diâmetro; este permitir-nos-á observar a época de reionização e, quiçá, a luz das primeiras estrelas.

References

• Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusion in the Universe: we are all stardust. Science in School 4: 61-63.
• Loeb A (2006) The dark ages of the Universe. Scientific American Nov: 46-53. Este artigo está disponível para download em www.cfa.harvard.edu/~loeb/sciam.pdf
• Rebusco P, Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusão no Universo: a origem das jóias. Science in School 5: 52-56.

Web References

• w1 – Para mais informação sobre o satélite WMAP ver: http://map.gsfc.nasa.gov
• w2 – Um panorama do trabalho de John Mather e George Smoot no ruído cósmico de fundo utilizando o COBE e links para mais informação são dados na press release anunciando o seu Prémio Nobel: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2006/press.html
• w3 – A Sloan Digital Sky Survey é o mais ambicioso rastreio astronómico alguma vez feito. Quando completo, disponibilizará imagens óticas detalhadas cobrindo mais de um quarto do céu e um mapa tridimensional contendo cerca de um milhão de galáxias e quasares. À medida que o rastreio progride, os dados são libertados para a comunidade científica e para o público em geral em incrementos anuais. Ver: www.sdss.org
• w4 – Para mais informação acerca da Agência Espacial Europeia ver: www.esa.int
• w5 – Para saber mais sobre o satélite Planck ver: www.esa.int/esaSC/120398_index_0_m.html
• w6 – Para mais informação sobre o Extremely Large Telescope do ESO ver: www.eso.org/public/astronomy/teles-instr/e-elt.html

Resources

• A secção sobre o WMAP no site da NASA fornece alguns recursos de ensino, incluindo um apanhado geral sobre o projeto WMAP e um modelo para encher do Universo. Ver: http://map.gsfc.nasa.gov/resources/edresources1.html
• Também pode ter interesse nos seguintes artigos:
  • Larson RB, Bromm V (2001)The first stars in the Universe. Scientific American Dec: 64-71. Este artigo está disponível para download em www.astro.yale.edu/larson/papers/SciAm01.pdf
  • Madau P (2006) Astronomy: trouble at first light. Nature 440: 1002-1003. doi:10.1038/4401002a. Descarregue o artigo gratuitamente aqui, ou subscreva a Nature hoje.
  • Scannapieco E, Petitjean P, Broadhurst T (2002) The emptiest places. Scientific American Oct: 56-63. Este artigo está disponível para download em http://scannapieco.asu.edu/papers/sciam.pdf

Institutions

Author(s)

Henri Boffin é um astrónomo e jornalista com uma extensa experiência internacional em investigação.Como relações públicas dos telescópios do ESO Very Large Telescope e European Extremely Large Telescope, dedica-se, ao mesmo tempo,à comunicação e investigação científicas. É autor de vários artigos populares Science in School.

Ana Lopes é editora associada na Nature, a semanal revista científica internacional. É licenciada em Física pela Universidade Técnica de Lisboa e doutorada em Astrofísica pela Universidade de Oxford (Reino Unido). Foi interna de jornalismo no ESO.

Review

Este artigo oferece informação interessante e detalhada sobre a investigação atual na história do Universo e na sua evolução. Pode ser usado para ensino interdisciplinar, por exemplo em física, astronomia, astrofísica ou filosofia. Para além de se constituir numa valiosa leitura de revisão, os professores podem utilizá-lo para criar novos materiais educacionais.

Vangelis Koltsakis, Grécia

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