Com um aparato experimental de uma simplicidade desconcertante, uma equipa de astrónomos poderá ter detectado indícios da formação da primeira geração de estrelas do Universo, 180 milhões de anos após o Big-Bang, na mais completa escuridão e a temperaturas baixíssimas. A descoberta foi publicada no número de ontem da revista Nature e, a confirmar-se, é importantíssima para a compreensão da evolução química do Universo e poderá incluir pistas importantes para problemas em aberto como a natureza da matéria negra e da energia negra.
O nascimento da primeira geração de estrelas poderá ter sido detectado indirectamente medindo o seu efeito na radiação cósmica de fundo em microondas.
Crédito: N.R.Fuller, NSF
Nos minutos que se seguiram ao Big-Bang, o Universo era constituído por um plasma quase homogéneo formado por núcleos atómicos de hidrogénio e de hélio, e alguns vestígios quase imperceptíveis de elementos como o lítio e berílio. Nesse intervalo de tempo, a temperatura do Universo desceu tão rapidamente que não foi possível formar elementos mais complexos e que hoje são relativamente abundantes como o carbono, oxigénio, magnésio, silício e ferro. Estes e outros elementos foram sintetizados ao longo de milhares de milhões de anos por sucessivas gerações de estrelas.
Entretanto, o Universo continuou a arrefecer até que, 380 mil anos após o Big Bang, a temperatura se tornou suficientemente baixa para que os núcleos atómicos pudessem capturar electrões livres, formando átomos neutros de hidrogénio e hélio. Agarrados aos átomos, os electrões deixaram de poder interagir facilmente com as partículas de luz (fotões) e o Universo tornou-se transparente (os fotões passaram a poder viajar ao longo de grandes distâncias sem serem importunados). Hoje conseguimos ver uma “fotografia” desse instante impressa na radiação cósmica de fundo em microondas (RCF). Esta radiação, que na altura tinha o seu pico no infravermelho, é hoje muito menos energética devido à expansão universal subsequente, tendo um pico na banda das microondas.
As primeiras estrelas deverão ter surgido, sugere a teoria suportada por simulações em computador, cerca de 200 milhões de anos após o Big-Bang. O gás primordial era tão homogéneo que a gravidade precisou de todo este tempo para explorar e amplificar as pequenas variações de densidade existentes e transformá-las em estrelas. Os modelos teóricos sugerem que, por serem constituídas quase exclusivamente por hidrogénio e hélio, deveriam ter massas extremas de várias centenas ou mesmo milhares de vezes a massa do Sol e luminosidades de dezenas de milhões de sóis. Estrelas assim já não existem ou são extremamente raras no Universo actual. Apesar da sua enorme luminosidade, a tecnologia actual não permite ainda detectar directamente a sua luz enfraquecida pela expansão universal. Judd Bowman e os seus co-autores inferiram a sua existência a partir do efeito que o seu aparecimento teve na RCF.
Como disse, quando a primeira geração de estrelas se formou, o meio interestelar estava repleto de átomos hidrogénio a temperaturas muito baixas. A maioria destes átomos estava no seu estado de energia mais baixo (chamado de fundamental). No hidrogénio, este estado é composto por dois estados de energia muito próximos que diferem apenas no valor de uma propriedade quântica do electrão designada por spin. O estado de energia da configuração em que o electrão tem um spin diferente do do protão no núcleo do átomo de hidrogénio corresponde ao nível mais baixo de energia (F=0, na figura seguinte). Se os spins são iguais, o nível de energia correspondente é ligeiramente mais elevado (F=1). Um átomo de hidrogénio pode passar ao nível mais energético absorvendo um fotão de 21cm (1420Mhz), cuja energia é igual à diferença dos estados. Por outro lado, um electrão no nível de energia mais elevado pode espontaneamente emitir um fotão com as mesmas características e passar ao estado energético mais baixo — embora a probabilidade de tal acontecer seja extremamente baixa.
A estrutura hiperfina do estado fundamental de energia do átomo do hidrogénio.
Fonte: Wikipedia
Com o aparecimento das primeiras estrelas, as nuvens de gás que permeavam o Universo passaram a ser banhadas com intensa radiação ultravioleta. Esta radiação foi absorvida pelos átomos de hidrogénio, fazendo os electrões saltar temporariamente para níveis de energia mais elevados. De regresso ao estado fundamental, o estado F=0 ficou sobrepovoado — um fenómeno designado de pumping — relativamente a uma situação de equilíbrio, de tal forma que o hidrogénio passou a absorver mais fotões de frequência 1420MHz. Este processo físico tem como consequência observacional o aparecimento de uma linha de absorção, uma deficiência de fotões, na RCF, nessa frequência feito o ajuste para a expansão universal. Foi este efeito que Bowman e a sua equipa tentou e, espera-se, conseguiu detectar. A existência desta linha implica a ionização do meio interestelar com radiação ultravioleta que só pode ter origem na primeira geração de estrelas.
O receptor de ondas de rádio EDGES.
Crédito: CSIRO
A equipa usou um receptor de ondas de rádio, instalado no Murchison Radio-Astronomy Observatory, localizado numa região desértica no oeste da Austrália, designado por EDGES (Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature). O instrumento varreu uma gama de frequências de rádio medindo a intensidade da RCF, permitindo aos cientistas identificar eventuais linhas de absorção no seu espectro. Após uma análise exaustiva dos dados recolhidos ao longo de vários anos — o projecto leva já 12 — a equipa isolou o que parece ser uma linha de absorção na frequência de 78MHz com características semelhantes, mas não completamente coincidentes, com as previstas pela teoria para a assinatura das primeiras estrelas. A razão entre a frequência natural dos fotões (1420 MHz) para a detectada (78MHz) permitiu à equipa determinar o instante a que corresponde essa marca na RCF — cerca de 180 milhões de anos depois do Big-Bang. Os dados sugerem também que o Universo era substancialmente mais frio do que o previsto pela teoria.
Para já a comunidade científica está a reagir com um entusiasmo cauteloso à notícia — as medições e o tratamento dos dados são extremamente exigentes e existe a possibilidade de erro — e espera por uma confirmação independente do resultado.
Referências:
Bowman et al. An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum. Nature 555, pages 67–70 (March 1st, 2018)
Sciencenews: Here’s when the universe’s first stars may have been born
Público: Quando se acenderam as primeiras estrelas do Universo
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