Com o tempo correndo da direita para a esquerda, essa visualização mostra a formação das primeiras estrelas de uma névoa de hidrogênio neutro após o Amanhecer Cósmico do universo.
(Imagem: © NASA / STScI)
Paul Sutter é um astrofísico da Universidade Estadual de Ohio e o principal cientista do centro de ciências COSI. Sutter também é apresentador do Ask a Spaceman e Space Radio, e lidera o AstroTours ao redor do mundo. Sutter contribuiu com este artigo para Expert Voices: Op-Ed & Insights da Space.com.
Talvez a maior revelação nos últimos cem anos de estudo do universo seja que nosso lar muda e evolui com o tempo. E não apenas de maneiras insignificantes, como estrelas se movendo, nuvens de gás se comprimindo e estrelas maciças morrendo em explosões cataclísmicas. Não, todo o nosso cosmos mudou seu caráter fundamental mais de uma vez no passado distante, alterando completamente seu estado interno em uma escala global - isto é, universal -.
Tomemos, por exemplo, o fato de que uma vez no passado nebuloso e mal lembrado, não havia estrelas.
Antes da primeira luz
Conhecemos esse fato simples por causa da existência do fundo cósmico de microondas (CMB), um banho de radiação fraca, mas persistente, que absorve todo o universo. Se você encontrar um fóton aleatório (um pouco de luz), há uma boa chance de que seja do CMB - que a luz ocupe mais de 99,99% de toda a radiação no universo. É uma relíquia remanescente de quando o universo tinha apenas 270.000 anos e passou de um plasma quente e agitado para uma sopa neutra (sem carga positiva ou negativa). Essa transição liberou radiação branca que, ao longo de 13,8 bilhões de anos, esfriou e se estendeu até as microondas, dando-nos a luz de fundo que podemos detectar hoje. [Antecedentes Cósmicos de Microondas: Big Bang Relic Explained (Infográfico)]
Na época do lançamento do CMB, o universo era cerca de um milhão de seu volume atual e milhares de graus mais quente. Também era quase inteiramente uniforme, com diferenças de densidade não maiores que 1 parte em 100.000.
Portanto, não é exatamente um estado em que as estrelas possam existir felizes.
Idade das Trevas
Nos milhões de anos após o lançamento do CMB (afetivamente conhecido como "recombinação" nos círculos da astronomia, devido a um mal-entendido histórico de épocas anteriores), o universo estava em um estado estranho. Havia um banho persistente de radiação branca, mas essa radiação estava esfriando rapidamente à medida que o universo continuava sua expansão inexorável. Havia matéria escura, é claro, saindo por conta própria. E havia o gás agora neutro, quase inteiramente hidrogênio e hélio, finalmente liberado de suas lutas com radiação e livre para fazer o que quisesse.
E o que era bom fazer era sair com o máximo de si possível. Felizmente, não teve que trabalhar muito: no universo extremamente antigo, as flutuações quânticas microscópicas aumentaram para se tornar apenas pequenas diferenças de densidade (e por que isso aconteceu é uma história para outro dia). Essas pequenas diferenças de densidade não afetaram a maior expansão cosmológica, mas impactaram a vida desse hidrogênio neutro. Qualquer mancha que fosse levemente mais densa que a média - mesmo que um pouquinho - tinha uma atração gravitacional um pouco mais forte em seus vizinhos. Essa atração aprimorada incentivou mais gás a se juntar ao partido, o que amplificou o puxão gravitacional, que incentivou ainda mais vizinhos e assim por diante.
Como música alta em uma festa em casa, agindo como uma canção de sirene para incentivar mais foliões, ao longo de milhões de anos o gás rico ficou mais rico e o gás pobre ficou mais pobre. Por simples gravidade, cresceram pequenas diferenças de densidade, construindo as primeiras aglomerações massivas de matéria e esvaziando o ambiente.
O "amanhecer cósmico" rompe
Em algum lugar, em algum lugar, algum pedaço de hidrogênio neutro teve sorte. Empilhando camadas sobre camadas esmagadoras, o núcleo mais interno atingiu temperatura e densidade críticas, forçando os núcleos atômicos juntos em um padrão complicado, iniciando a fusão nuclear e convertendo a matéria-prima em hélio. Esse processo feroz também liberou um pouco de energia e, rapidamente, a primeira estrela nasceu.
Pela primeira vez desde a primeira dúzia de minutos do Big Bang, reações nucleares ocorreram em nosso universo. Novas fontes de luz, pontilhando o cosmos, inundaram os vazios que antes estavam vazios com radiação. Mas não sabemos exatamente quando esse momento importante ocorreu; as observações desta época são extremamente difíceis. Por um lado, as vastas distâncias cosmológicas impedem que até nossos telescópios mais poderosos observem essa primeira luz. O que piora é que o universo primitivo era quase totalmente neutro e o gás neutro não emite muita luz em primeiro lugar. Não é até que várias gerações de estrelas se colem para formar galáxias que podemos até ter uma pitada dessa idade importante.
Suspeitamos que as primeiras estrelas tenham se formado em algum lugar nos primeiros cem milhões de anos do universo. Não é muito depois que temos observações diretas de galáxias, núcleos galácticos ativos e até o início de aglomerados de galáxias - as estruturas mais massivas que eventualmente surgirão no universo. Algum tempo antes deles, as primeiras estrelas tiveram que chegar, mas não muito cedo, porque as condições agitadas do universo infantil teriam impedido sua formação.
Além do horizonte
Embora o próximo Telescópio Espacial James Webb seja capaz de identificar as galáxias primitivas com excelente precisão, oferecendo uma riqueza de dados sobre o universo primitivo, o campo de visão estreito do telescópio não nos dará toda a imagem desta era. Os cientistas esperam que algumas das primeiras galáxias possam conter restos das primeiras estrelas - ou mesmo as próprias estrelas -, mas teremos que esperar e (literalmente) ver.
A outra maneira de desbloquear o amanhecer cósmico é através de uma surpreendente peculiaridade de hidrogênio neutro. Quando o quantum gira do elétron e do próton aleatoriamente, o hidrogênio emite radiação com um comprimento de onda muito específico: 21 centímetros. Essa radiação nos permite mapear bolsas de hidrogênio neutro em nossa Via Láctea moderna, mas as distâncias extremas da era cósmica do amanhecer representam um desafio completamente diferente.
O problema é que o universo se expandiu desde aquela era há muito morta, o que faz com que toda a radiação intergalática se estenda a comprimentos de onda mais longos. Atualmente, esse sinal de hidrogênio neutro primordial tem um comprimento de onda de cerca de 2 metros, colocando o sinal firmemente nas bandas de rádio. E muitas outras coisas no universo - supernovas, campos magnéticos galácticos, satélites - são bastante altas nessas mesmas frequências, obscurecendo o sinal fraco dos primeiros anos do universo.
Existem várias missões ao redor do mundo tentando entender esse suculento sinal do amanhecer cósmico, desenterrar seu sussurro primordial da cacofonia atual e revelar o nascimento das primeiras estrelas. Mas, por enquanto, teremos que esperar e ouvir.
Saiba mais ouvindo o episódio "O que despertou o amanhecer cósmico?" no podcast Ask A Spaceman, disponível no iTunes e na Web em http://www.askaspaceman.com. Obrigado a Joyce S. pelas perguntas que levaram a esta peça! Faça sua própria pergunta no Twitter usando #AskASpaceman ou seguindo Paul @ PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter. Siga-nos em @Spacedotcom, Facebook e Google+. Artigo original no Space.com.
