Os dados do James Webb estão em conflito com os modelos da Reionização

A reionização é um período crítico em que as primeiras estrelas e galáxias alteraram a estrutura física do seu meio envolvente e, eventualmente, de todo o Universo. As teorias estabelecidas afirmam que esta época terminou cerca de mil milhões de anos após o Big Bang. No entanto, se calcularmos este marco utilizando observações do Telescópio Espacial James Webb, a Reionização teria terminado pelo menos 350 milhões de anos antes do previsto. Isto de acordo com um novo artigo científico publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters.

Ao longo da sua história, o Universo passou por várias mudanças importantes. Durante os primeiros 380.000 anos após o Big Bang, era um plasma quente e denso de protões e eletrões. Eventualmente, as coisas arrefeceram o suficiente para que esses protões e eletrões se combinassem e formassem átomos de hidrogénio neutro. Depois, cerca de 100 milhões de anos após o Big Bang, começaram a formar-se as primeiras estrelas e galáxias, dando início à época da Reionização.

Estas primeiras estrelas eram enormes e quentes – algumas delas eram 30 a 300 vezes mais massivas do que o nosso Sol – e emitiam muita energia sob a forma de luz ultravioleta extrema. Esta energia era tão intensa que, quando atingia átomos de hidrogénio próximos, dividia-os em protões e eletrões, num processo chamado ionização. Após centenas de milhões de anos, quando quase todo o hidrogénio do Universo se tornou ionizado, terminou a época da Reionização.

Considerando que cerca de 75 por cento de toda a matéria é hidrogénio, isto representa uma transformação imensa. “Esta é a última grande mudança a acontecer”, explicou Julian Muñoz, professor assistente de astronomia na Universidade do Texas em Austin, EUA, e principal autor do artigo científico. “Passámos de neutro, frio e aborrecido para ionizado e quente. E isto não é algo que tenha acontecido apenas a uma ou duas galáxias. Aconteceu em todo o Universo”.

“O processo aqueceu e ionizou o gás no Universo, o que regulou a rapidez com que as galáxias cresceram e evoluíram”, acrescentou John Chisholm, professor assistente de astronomia na UT Austin e coautor do artigo. “Estas primeiras estrelas estabeleceram a estrutura geral das galáxias no Universo”.

Como os astrónomos não conseguem observar diretamente o processo de Reionização, têm de usar modelos para prever quando terminou. Estes modelos baseiam-se em evidências indiretas, incluindo medições da quantidade de luz que chegou até nós a partir do brilho residual do Big Bang, chamado Fundo Cósmico de Micro-ondas. Outra evidência é uma abundância precoce do comprimento de onda associado a mudanças de energia no hidrogénio, chamada Floresta Lyman-alfa. Ambos ajudam os astrónomos a calcular a quantidade de hidrogénio que foi transformada durante a Reionização e, por extensão, a quantidade de energia necessária para o fazer.

“É um jogo de contabilidade”, disse Muñoz. “Sabemos que todo o hidrogénio era neutro antes da Reionização. A partir daí, é necessário ultravioleta extremo suficiente para dividir cada átomo. Por isso, podemos fazer as contas para descobrir quando é que a Reionização terminou”.

Agora, o Telescópio Espacial James Webb está a desafiar os modelos estabelecidos. Com ele, os astrónomos podem ir mais longe no cosmos do que nunca, até ao fundo desta época crítica. Isto está a levar a muitas observações inesperadas no Universo primitivo – uma das quais é uma maior abundância de galáxias emissoras de ultravioleta extremo do que o esperado. “O JWST revelou que as galáxias brilhantes são suficientes para ionizar o Universo por si só”, disse Chisholm. “Isto é contrário ao que muitas pessoas previam”.

Assim, com estas novas observações, a contabilidade não bate certo. “Se confiássemos cegamente no James Webb, ele dir-nos-ia que a Reionização terminou 550 milhões a 650 milhões de anos após o Big Bang, em vez das estimativas atuais de mil milhões de anos”, explicou Muñoz. “Se isso fosse verdade, a radiação cósmica de fundo em micro-ondas teria um aspeto diferente e a Floresta Lyman-alfa também. Portanto, há uma tensão”.

Por outras palavras, é improvável que a Reionização tenha acontecido centenas de milhões de anos antes do previsto. Então, o que é que se passa? Uma explicação poderia ser o facto de os modelos estabelecidos estarem a omitir alguma informação chave. Por exemplo, por vezes os protões e eletrões ionizados voltam a juntar-se para reformar átomos de hidrogénio neutro. Este processo é designado por recombinação. Se tal aconteceu com mais frequência do que os modelos atuais supõem, isso poderia aumentar a quantidade de luz ultravioleta extrema necessária para ionizar todo o Universo.

“Precisamos de observações mais detalhadas e profundas das galáxias e de uma melhor compreensão do processo de recombinação”, disse Munoz. “Resolver esta tensão da Reionização é um passo fundamental para compreender finalmente este período crucial. Estou entusiasmado por ver o que os próximos anos nos reservam”.

// Observatório McDonald (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters)
// Artigo científico (arXiv.org)

Saiba mais:

Universo:
Wikipedia
Estrutura a grande-escala do Universo (Wikipedia)
Big Bang (Wikipedia)
Cronologia do Universo (Wikipedia)
Modelo Lambda-CDM (Wikipedia)
Reionização (Wikipedia)

Radiação cósmica de fundo em micro-ondas:
Wikipedia

Floresta Lyman-alpha:
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