O poderoso telescópio Subaru no Havaí encontrou a galáxia mais distante já vista, localizada a 12,88 bilhões de anos-luz de distância - isso é apenas 780 milhões de anos após o Big Bang. Observar objetos tão distantes é extremamente difícil, não apenas pelas grandes distâncias envolvidas, mas porque grande parte do Universo foi obscurecida por trás de hidrogênio neutro. Só então as estrelas começaram a limpar esse hidrogênio neutro, tornando o Universo transparente.
Os astrônomos que usam o telescópio Subaru no Havaí olham mais 60 milhões de anos no tempo do que qualquer outro astrônomo, para encontrar a galáxia mais distante conhecida no universo. Ao fazer isso, eles mantêm o recorde de Subaru por encontrar as galáxias mais distantes e antigas conhecidas. Sua descoberta mais recente é de uma galáxia chamada I0K-1, que está tão distante que os astrônomos a veem como apareceu 12,88 bilhões de anos atrás.
Essa descoberta, baseada em observações feitas por Masanori Iye do Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ), Kazuaki Ota da Universidade de Tóquio, Nobunari Kashikawa do NAOJ e outras indica que as galáxias existiam apenas 780 milhões de anos após a existência do universo. cerca de 13,66 bilhões de anos atrás, como uma sopa quente de partículas elementares.
Para detectar a luz desta galáxia, os astrônomos usaram a câmera Suprime-Cam do telescópio Subaru equipada com um filtro especial para procurar galáxias distantes candidatas. Eles encontraram 41.533 objetos e, desses, identificaram duas galáxias candidatas para estudos posteriores usando a Câmera e o Espectrógrafo de Objetos Fracos (FOCAS) em Subaru. Eles descobriram que o IOK-1, o mais brilhante dos dois, tem um desvio para o vermelho de 6.964, confirmando sua distância de 12,88 bilhões de anos-luz.
A descoberta desafia os astrônomos a determinar exatamente o que aconteceu entre 780 e 840 milhões de anos após o Big Bang. O IOK-1 é uma das únicas duas galáxias no novo estudo que poderiam pertencer a essa época distante. Dado o número de galáxias descobertas 840 milhões de anos após o Big Bang, a equipe de pesquisa esperava encontrar até seis galáxias a essa distância. A raridade comparativa de objetos como o IOK-1 significa que o universo deve ter mudado ao longo dos 60 milhões de anos que separam as duas épocas.
A interpretação mais emocionante do que aconteceu é que estamos vendo um evento conhecido pelos astrônomos como a reionização do universo. Nesse caso, 780 milhões de anos após o Big Bang, o universo ainda possuía hidrogênio neutro suficiente para bloquear nossa visão das galáxias jovens, absorvendo a luz produzida por suas jovens estrelas quentes. Sessenta milhões de anos depois, havia jovens estrelas quentes o suficiente para ionizar o hidrogênio neutro restante, tornando o universo transparente e nos permitindo ver suas estrelas.
Outra interpretação dos resultados diz que havia menos galáxias jovens grandes e brilhantes 780 milhões de anos após o Big Bang do que 60 milhões de anos depois. Nesse caso, a maior parte da reionização teria ocorrido antes de 12,88 bilhões de anos atrás.
Não importa qual interpretação finalmente prevaleça, a descoberta sinaliza que os astrônomos agora estão escavando a luz da "Idade das Trevas" do universo. Esta é a época em que as primeiras gerações de estrelas e galáxias surgiram, e uma época que os astrônomos não foram capazes de observar até agora.
INFORMAÇÕES GERAIS:
Arqueologia do Universo Primitivo Usando Filtros Especiais
Galáxias recém-nascidas contêm estrelas com uma grande variedade de massas. Estrelas mais pesadas têm temperaturas mais altas e emitem radiação ultravioleta que aquece e ioniza o gás próximo. À medida que o gás esfria, ele irradia o excesso de energia, para que possa retornar a um estado neutro. Nesse processo, o hidrogênio sempre emitirá luz a 121,6 nanômetros, chamada linha Lyman-alfa. Qualquer galáxia com muitas estrelas quentes deve brilhar nesse comprimento de onda. Se as estrelas se formarem ao mesmo tempo, as estrelas mais brilhantes podem produzir emissão de Lyman-alfa por 10 a 100 milhões de anos.
Para estudar galáxias como o IOK-1, existentes nos primeiros tempos do universo, os astrônomos devem procurar a luz Lyman-alfa que é esticada e deslocada para vermelho para comprimentos de onda mais longos à medida que o universo se expandia. No entanto, em comprimentos de onda superiores a 700 nanômetros, os astrônomos precisam lidar com as emissões de primeiro plano das moléculas de OH na própria atmosfera da Terra que interferem nas emissões fracas de objetos distantes.
Para detectar a luz fraca de galáxias distantes, a equipe de pesquisa observava em comprimentos de onda onde a atmosfera da Terra não brilha muito, através de janelas de 711, 816 e 921 nanômetros. Essas janelas correspondem à emissão Lyman-alpha com desvio para o vermelho das galáxias com desvios para o vermelho de 4,8, 5,7 e 6,6, respectivamente. Esses números indicam quão menor o universo foi comparado agora e correspondem a 1,26 bilhão de anos, 1,01 bilhão de anos e 840 milhões de anos após o Big Bang. É como fazer arqueologia do universo primitivo com filtros específicos, permitindo que os cientistas vejam as diferentes camadas de uma escavação.
Para obter novos resultados espetaculares, a equipe teve que desenvolver um filtro sensível à luz com comprimentos de onda de apenas 973 nanômetros, o que corresponde à emissão alfa de Lyman no desvio para o vermelho de 7,0. Esse comprimento de onda está no limite dos CCDs modernos, que perdem a sensibilidade em comprimentos de onda maiores que 1000 nanômetros. Esse filtro do tipo, chamado NB973, usa tecnologia de revestimento multicamada e levou mais de dois anos para se desenvolver. O filtro não apenas precisou passar luz com comprimentos de onda em torno de 973 nanômetros, mas também teve que cobrir uniformemente todo o campo de visão do foco principal do telescópio. A equipe trabalhou com uma empresa, a Asahi Spectra Co.Ltd, para projetar um filtro protótipo para usar com a Faint Object Camera da Subaru e, em seguida, aplicou essa experiência na fabricação do filtro para o Suprime-Cam.
As Observações
As observações com o filtro NB973 ocorreram durante a primavera de 2005. Após mais de 15 horas de tempo de exposição, os dados obtidos atingiram uma magnitude limite de 24,9. Havia 41.533 objetos nesta imagem, mas uma comparação com imagens tiradas em outros comprimentos de onda mostrou que apenas dois dos objetos eram brilhantes apenas na imagem NB973. A equipe concluiu que apenas esses dois objetos poderiam ser galáxias no desvio para o vermelho de 7,0. O próximo passo foi confirmar a identidade dos dois objetos, IOK-1 e IOK-2, e a equipe observou-os com a Câmera e Espectrógrafo de Objetos Fracos (FOCAS) no telescópio Subaru. Após 8,5 horas de tempo de exposição, a equipe conseguiu obter um espectro de uma linha de emissão do mais brilhante dos dois objetos, o IOK-1. Seu espectro mostrou um perfil assimétrico, característico da emissão de Lyman-alfa de uma galáxia distante. A linha de emissão estava centrada em um comprimento de onda de 968,2 nanômetros (desvio para o vermelho 6.964), correspondendo a uma distância de 12,88 bilhões de anos-luz e tempo de 780 milhões de anos após o Big Bang.
A identidade da segunda galáxia candidata
Três horas de tempo de observação não produziram resultados conclusivos para determinar a natureza do IOK-2. Desde então, a equipe de pesquisa obteve mais dados que estão sendo analisados. É possível que o IOK-2 seja outra galáxia distante ou um objeto com brilho variável. Por exemplo, uma galáxia com uma supernova ou um buraco negro que engole ativamente o material que parecia brilhante durante as observações com o filtro NB973. (As observações nos outros filtros foram feitas um a dois anos antes.)
O Campo Profundo Subaru
O telescópio Subaru é particularmente adequado para a pesquisa das galáxias mais distantes. De todos os telescópios da classe de 8 a 10 metros no mundo, é o único com a capacidade de montar uma câmera com foco principal. O foco principal, na parte superior do tubo do telescópio, tem a vantagem de um amplo campo de visão. Como resultado, Subaru atualmente domina a lista das galáxias conhecidas mais distantes. Muitos deles estão em uma região do céu na direção da constelação Coma Berenices, denominada Subaru Deep Field, que a equipe de pesquisa selecionou para um estudo intenso em vários comprimentos de onda.
O início da história do universo e a formação das primeiras galáxias
Para contextualizar essa conquista do Subaru, é importante revisar o que sabemos sobre a história do universo primitivo. O universo começou com o Big Bang, que ocorreu cerca de 13,66 bilhões de anos atrás, em um caos ardente de temperatura e pressão extremas. Nos primeiros três minutos, o universo infantil se expandiu e esfriou rapidamente, produzindo os núcleos de elementos leves como hidrogênio e hélio, mas muito poucos núcleos de elementos mais pesados. Em 380.000 anos, as coisas esfriaram a uma temperatura de cerca de 3.000 graus. Nesse ponto, elétrons e prótons poderiam se combinar para formar hidrogênio neutro.
Com os elétrons agora ligados aos núcleos atômicos, a luz poderia viajar através do espaço sem ser espalhada pelos elétrons. Podemos realmente detectar a luz que permeava o universo naquela época. No entanto, devido ao tempo e à distância, foi esticada por um fator de 1.000, preenchendo o universo com radiação que detectamos como microondas (chamada de Fundo Cósmico de Microondas). A sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) estudou essa radiação e seus dados permitiram aos astrônomos calcular a idade do universo em cerca de 13,66 bilhões de anos. Além disso, esses dados implicam a existência de coisas como matéria escura e a energia escura ainda mais enigmática.
Os astrônomos pensam que, nos primeiros cem milhões de anos após o Big Bang, o universo continuou esfriando e que a primeira geração de estrelas e galáxias se formou nas regiões mais densas da matéria e da matéria escura. Este período é conhecido como a "Idade das Trevas" do universo. Ainda não há observações diretas desses eventos, então os astrônomos estão usando simulações de computador para unir previsões teóricas e evidências observacionais existentes para entender a formação das primeiras estrelas e galáxias.
Uma vez nascidas as estrelas brilhantes, sua radiação ultravioleta pode ionizar átomos de hidrogênio próximos, dividindo-os novamente em elétrons e prótons separados. Em algum momento, havia estrelas brilhantes o suficiente para ionizar quase todo o hidrogênio neutro no universo. Esse processo é chamado de reionização do universo. A época da reionização sinaliza o fim da Idade das Trevas do universo. Hoje a maior parte do hidrogênio no espaço entre galáxias é ionizada.
Identificando a época da reionização
Os astrônomos estimaram que a reionização ocorreu em algum momento entre 290 e 910 milhões de anos após o nascimento do universo. Identificar o início e o fim da época da reionização é um dos trampolins importantes para entender como o universo evolui e é uma área de intenso estudo em cosmologia e astrofísica.
Parece que, à medida que olhamos para o passado, as galáxias ficam cada vez mais raras. O número de galáxias com desvio para o vermelho de 7,0 (o que corresponde a um tempo cerca de 780 milhões de anos após o Big Bang) parece menor do que o que os astrônomos veem no desvio para o vermelho de 6,6 (o que corresponde a um tempo cerca de 840 milhões de anos após o Big Bang) . Como o número de galáxias conhecidas em um desvio para o vermelho de 7,0 ainda é pequeno (apenas um!), É difícil fazer comparações estatísticas robustas. No entanto, é possível que a diminuição do número de galáxias em maior desvio para o vermelho seja devida à presença de hidrogênio neutro absorvendo a emissão de Lyman-alfa das galáxias em maior desvio para o vermelho. Se pesquisas adicionais puderem confirmar que a densidade numérica de galáxias semelhantes diminui entre um desvio para o vermelho de 6,6 e 7,0, isso pode significar que o IOK-1 existiu durante a época da reionização do universo.
Esses resultados serão publicados na edição de 14 de setembro de 2006 da revista Nature.
Fonte Original: Subaru News Release
