James Webb Space Telescope e Hubble revelam como aglomerados estelares gigantes impulsionaram a reionização

O Universo já foi um lugar escuro e extremamente quente, atravessado por partículas soltas que se moviam em todas as direções. Com o tempo, porém, tudo começou a arrefecer.

À medida que a temperatura caiu, elétrons e prótons passaram a se emparelhar; a luz encontrou dificuldade para se propagar livremente; e o espaço entrou num estado globalmente neutro. Só que essa tranquilidade não durou.

Em algum momento, energia suficiente varreu o cosmos e voltou a separar boa parte dessas partículas. Os astrónomos chamam esse episódio de reionização - e, durante anos, discutiram qual foi a sua origem.

Um estudo recente aponta com força para uma explicação: aglomerados estelares gigantes e recém-nascidos, que conseguiram atravessar nuvens espessas de gás muito mais cedo do que se imaginava.

Para chegar a essa conclusão, os investigadores combinaram dados do James Webb Space Telescope com observações do Hubble Space Telescope e analisaram milhares de aglomerados jovens em galáxias relativamente próximas.

O trabalho ofereceu uma das visões mais nítidas até agora de uma fase curta e crucial: o período logo após o nascimento das estrelas, quando elas ainda estão escondidas dentro de nuvens densas de gás e poeira. Esse estágio “oculto” pode ter tido um papel decisivo na remodelação do Universo primordial.

Começos violentos para estrelas jovens

Estrelas novas surgem quando enormes nuvens de gás colapsam sob a ação da gravidade. Assim que mais estrelas se acendem dentro dessas nuvens, o ambiente torna-se rapidamente turbulento.

As mais massivas lançam ventos estelares intensos, emitem radiação ultravioleta e, mais tarde, explodem como supernovas. Esse conjunto de forças empurra o gás ao redor e inibe o nascimento de novas estrelas nas proximidades.

Os astrónomos dão a esse mecanismo o nome de retroalimentação estelar.

Durante décadas, a comunidade científica teve dificuldade em determinar com precisão em quanto tempo os aglomerados estelares jovens conseguem varrer as nuvens onde nasceram. Essa escala de tempo é importante porque ajuda a compreender tanto a evolução das galáxias quanto o processo que levou o Universo a ser reionizado.

Uma pista para a reionização cósmica

A nova pesquisa foi conduzida por uma equipa internacional liderada por cientistas da Universidade de Estocolmo e do Centro Oskar Klein. Entre os coautores está a professora distinguida Daniela Calzetti, da Universidade de Massachusetts Amherst.

“À medida que o Universo começou a arrefecer depois do Big Bang, todos os elétrons e prótons que estavam espalhados por toda parte começaram a se encontrar e a se ligar entre si, até que o Universo assumiu uma carga neutra”, disse ela.

Mais tarde, um enorme surto de energia voltou a separar prótons e elétrons entre as galáxias, num evento conhecido como reionização.

Há muito tempo, astrónomos tentam identificar o que gerou a energia responsável por essa transformação.

Webb e Hubble finalmente atravessam a nuvem

Regiões de formação estelar próximas, dentro da Via Láctea, são estudadas há anos, mas a posição da Terra no interior da galáxia limita o campo de visão e bloqueia parte importante do cenário. Ao observar outras galáxias, os cientistas conseguem aceder a milhares de aglomerados estelares em diferentes etapas da sua evolução.

Isso tornou-se viável graças aos instrumentos infravermelhos do Webb, capazes de “enxergar” através de cortinas espessas de gás e poeira. O Hubble completou o retrato ao registar luz ultravioleta e visível.

Em conjunto, os dois telescópios permitiram examinar quase 9,000 aglomerados estelares em quatro galáxias próximas: Messier 51, Messier 83, NGC 628 e NGC 4449.

Alguns aglomerados ainda permaneciam profundamente embutidos em gás. Outros já tinham expulsado parte do material ao redor. E havia também os que estavam totalmente expostos.

A equipa identificou um padrão marcante: aglomerados estelares mais massivos escapam das suas nuvens natais muito mais depressa do que os menores.

Os maiores libertaram-se após cerca de 5 milhões de anos. Já os aglomerados menores continuaram envolvidos em gás por aproximadamente 7 a 8 milhões de anos antes de emergirem.

À primeira vista, a diferença pode parecer pequena - mas, em astronomia, esse intervalo altera muita coisa.

Por que aglomerados estelares gigantes fazem diferença

A formação de aglomerados estelares muito massivos provavelmente contribuiu para impulsionar a reionização do Universo.

Os investigadores observaram que os aglomerados mais massivos conseguem sair das suas nuvens natais em apenas 5 milhões de anos, o que lhes dá tempo suficiente para produzir os fótons necessários para reionizar o Universo.

Estrelas massivas, por natureza, emitem quantidades enormes de radiação ultravioleta. Se o gás ao redor for removido rapidamente, essa energia consegue escapar para o espaço muito mais cedo.

Esse mecanismo pode ajudar a explicar como o Universo passou de um ambiente apagado e neutro para o cosmos luminoso e estruturado que se observa hoje.

Os resultados também podem refinar modelos computacionais sobre a evolução das galáxias.

“As simulações de formação estelar e retroalimentação estelar têm tido dificuldade para reproduzir como os aglomerados estelares se formam e como emergem das suas nuvens natais”, afirmou Angela Adamo, autora principal do estudo e investigadora principal do FEAST. “Esses resultados dão-nos novas e importantes restrições sobre esse processo.”

Formação de planetas sob pressão

As implicações não ficam restritas às teorias sobre galáxias. As conclusões também podem mudar a forma como os cientistas pensam a formação de planetas.

Estrelas jovens costumam ser cercadas por discos giratórios de gás e poeira, chamados discos protoplanetários. É a partir desses discos que os planetas se constroem.

No entanto, se estrelas massivas próximas removerem o gás depressa demais e inundarem a região com radiação ultravioleta, a formação planetária pode ser interrompida precocemente. Com isso, alguns sistemas estelares podem perder a matéria-prima necessária para formar planetas grandes.

Webb observa berçários estelares

“Este trabalho reúne investigadores que fazem simulações de formação estelar e os que trabalham com observações, além de grupos que pesquisam a formação de planetas”, disse Alex Pedrini.

“Com o Webb, conseguimos olhar para dentro dos berços dos aglomerados estelares e conectar a formação de planetas ao ciclo de formação estelar e à retroalimentação estelar.”

O James Webb Space Telescope foi concebido para investigar profundamente a história cósmica - e estudos como este evidenciam por que a comunidade científica estava tão ansiosa pelo seu lançamento.

O Webb não está apenas a identificar galáxias distantes. Ele também revela processos escondidos que moldaram o Universo muito antes de a Terra existir.

O estudo completo foi publicado na revista Nature Astronomy.