Visão de campo ultra profundo do Hubble revela as primeiras galáxias do Universo

Imagem de campo ultra profundo capturada em agosto de 2009 pela nova câmera WFC3 do Hubble. (Créditos: NASA, ESA, G. Illingworth (UCO/Lick Observatory, University of California, Santa Cruz) e time HUDF09)

O telescópio espacial Hubble quebrou o limite de distância na busca das galáxias primordiais e descobriu uma população primitiva de galáxias jovens, ultra azuis e compactas, nunca antes observadas.

Olhando para o passado longínquo… o ‘túnel do tempo’

Quanto mais fundo o Hubble olha dentro do Cosmos, mais para trás no tempo ele vê, uma vez que a luz leva bilhões de anos para atravessar o Universo Observável. Esta característica transforma o Hubble em uma poderosa ‘máquina do tempo’ que permite aos astrônomos verem as galáxias como elas se apresentavam há 13 bilhões de anos, entre 600 e 800 milhões de anos após o Big Bang e nos permite atingir a visão do início da história do Universo.

5 times internacionais de cientistas, 15 novos artigos científicos!

Assim, os dados capturados em agosto de 2009 pela nova câmera Wide Field Camera 3 do Hubble (WFC3), na imagem de campo ultra profundo (HUDF09), têm sido analisados por 5 times internacionais independentes de astrônomos. Até agora, um total de 15 artigos científicos foram submetidos pelos astrônomos de todo o mundo. Alguns destes resultados foram apresentados no 215º encontro da American Astronomical Society (AAS) em Washington, D.C, EUA, em janeiro de 2010.

Agora, “com o Hubble revigorado e seus novos instrumentos, nós estamos entrando em território inexplorado que está disponível para novas descobertas”, disse Garth Illingworth da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, EUA, líder do time de cientistas que combinou a nova imagem de campo ultra profundo HUDF09 tirada com a câmera WFC3 com a imagem anterior tirada em 2004 pela câmera WFC2. Illingworth disse que “A mais profunda imagem em freqüências próximas do infravermelho do Universo – HUDF09 – agora foi combinada com a mais profunda imagem ótica – HUDF de 2004 – para permitir as buscas das primeiras galáxias e explorar a sua natureza”.

Rychard Bouwens da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, membro do time de Illingworth e autor líder do artigo que trata das propriedades destas galáxias, disse que “as galáxias mais tênues estão agora nos mostrando sinais de ligação com as origens das primeiras estrelas. Elas são tão azuis que devem ser deficientes de elementos mais pesados, o que representa uma população com características quase primordiais”.

Qual é o limite?

James Dunlop da University of Edinburgh concorda com Bouwens: “Estas galáxias podem ter se originado as partir das populações de estrelas primitivas. Deve haver uma população de galáxias que ainda está alem do limite técnico de detecção do Hubble”.

Três times trabalharam arduamente para encontrar estas novas galáxias e produziram suas análises tão logo os dados foram liberados em setembro, tendo sido seguidos por um quarto time e depois pelo quinto. A existência destas novas galáxias nos leva ao tempo em que a primeiras galáxias do Universo começaram a se formar entre 500 a 600 milhões de anos após o Big Bang.

As observações profundas também demonstraram a construção progressiva de galáxias. As descobertas fornecem suporte para os modelos hierárquicos de modelagem das galáxias nos quais os objetos menores crescem por acresção de massa ou se fundem para formar objetos maiores dentro de um suave porém dramático processo de colisão e aglomeração. São como afluentes se juntando ao rio principal e no final desaguando em uma baía.

Galáxias pequenas, azuis e livres da poeira cósmica

“Estas galáxias são pequenas e têm dimensões em torno de 1/20 do diâmetro da Via Láctea”, relatou Pascal Oesch do Swiss Federal Institute of Technology em Zurich, Suíça. “Assim, elas são os blocos formadores que geraram as grandes galáxias que vemos hoje, como a nossa Via Láctea”, explicou Marcella Carollo, também pertencente ao Swiss Federal Institute of Technology. Oesch e Carollo são membros do time de Illingworth.

Estes objetos recém descobertos são cruciais para o entendimento das ligações evolucionárias entre o nascimento das primeiras estrelas, a formação das primeiras galáxias e a seqüência de eventos que resultaram na formação de nossa galáxia, as outras galáxias ‘maduras’ elípticas e as majestosas galáxias espirais do Universo vizinho atual.

O time do HUDF09 também combinou as novas informações com as observações do observatório espacial de infravermelho Spitzer, para estimar as idades e massas destas galáxias primordiais. “As massas estimadas correspondem a 1% da Via Láctea”, explicou Ivo Labbe do Carnegie Institute of Washington, autor líder de dois artigos que trataram os dados combinados dos Grandes Observatórios da NASA (Spitzer, Hubble e Chandra). Labbe notou que “para nossa surpresa, os resultados mostram que estas galáxias de 700 milhões de anos após o Big Bang devem ter começado a se formar centenas de milhões de anos antes, o que nos levaria mais adiante no passado, ao início da formação estelar primordial do Universo”.

Os resultados apurados das observações HUDF09, que são profundas o suficiente nas freqüências do espectro próximo do infravermelho para revelar galáxias com desvios para o vermelho a partir de z=7 para até z=8 (O valor z do desvio para o vermelho mede a variação do espectro causada pela expansão do espaço cósmico). Assim, obtivemos a clara detecção de galáxias entre z=7 e z=8,5 que corresponde ao intervalo de tempo equivalente aos valores entre 12,9 e 13,1 bilhões de anos atrás. Estas galáxias estão entre os objetos mais distantes já observados.

O limite técnico do Hubble

“Isto é o máximo que podemos ir aos detalhes científicos com esta nova imagem HUDF09. Isso nos mostra o quanto necessitamos do lançamento do James Webb Space Telescope (JWST) para descobrir os segredos das primeiras galáxias”, disse Illingworth. O desafio é que a espectroscopia é necessária para prover os valores definitivos do desvio para o vermelho, mas os objetos são tênues em demasia para este tipo de análise hoje (até quando o JWST for lançado). Assim, os desvios para o vermelho são inferidos a partir das cores aparentes das galáxias através de técnicas antigas bem conhecidas.

O time concluiu que o número de galáxias por unidade de volume do espaço decresce suavemente com o aumento da distância e que as galáxias mais distantes tornam-se intrinsecamente azuis. Estas galáxias ultra azuis são exemplos extremos que indicam que sua composição é deficiente em elementos mais pesados. Assim, como resultado desta baixa metalicidade, as galáxias azuis estão praticamente livres da poeira interestelar que espalharia a luz tornando-a avermelhada.

A era da reionização permanece um mistério

Um problema que intriga os astrônomos há tempos e ressurge destas descobertas é que parece que estas galáxias primordiais não tinham a potência de irradiação suficiente para reionizar o Universo primitivo, arrancando os elétrons das moléculas neutras do hidrogênio resfriado após o Big Bang. A ‘era da reionização’ foi um fenômeno que ocorreu em todo o Universo entre 400 e 900 milhões de anos após o Big Bang e que permanece misterioso para os astrônomos, ou seja, suas causas reais permanecem desconhecidas. Estas galáxias recém descobertas pertencem a esta importante era da evolução do Universo.

Histórico com as eras do Universo ao longo do tempo: o Big Bang, o Universo neutro, a idade das Trevas, primeiras galáxias e quasares, a era da Reionização, o Universo torna-se transparente novamente, as galáxias evoluem, o sistema Solar se forma e agora existe uma civilização que está estudando o Cosmos agora, 13 bilhões de anos depois!

Possivelmente, três seguintes hipóteses surgem para explicar a ‘era da reionização’:

1. A densidade de galáxias extremamente tênues que permanecem abaixo do limite técnico de detecção do novo Hubble ainda é tão alta que possa existir um grande número delas ainda não detectadas e que suportaram a reionização.
2. Ou, talvez tenha ocorrido uma onda anterior de formação galáctica que decaiu e depois ressurgiu através de uma segunda onda de criação de galáxias (a que vemos agora).
3. Ou, mais ainda, estas galáxias primordiais azuis foram extremamente eficientes e tiveram a capacidade de suportar a reionização universal.

Devido a estas incertezas, não está claro para os cientistas que objetos ou processos evolucionários fizeram o ‘trabalho pesado’ de ionizar o Universo primitivo. Os cálculos permanecem incertos e assim ou a galáxias podem ter feito ‘mais’ do que esperamos, ou os astrônomos terão que invocar outros fenômenos cósmicos tais como mini-quasares (buracos negros supermassivos do coração das galáxias). Por outro lado, estimativas atuais indicam que os quasares têm menor probabilidade de terem sido os principais responsáveis pela reionização. Assim este assunto permanece como um enigma que continuará a desafiar os astrônomos e seus poderosos telescópios por mais algum tempo.

“Quando nós olhamos para o passado, na época das primeiras galáxias do Universo, de um desvio para o vermelho entre z=6 e z=8, e possivelmente além, estas novas observações indicam que estamos possivelmente vendo o fim da reionização e talvez dentro da ‘era da reionização’. Esta era foi a mais importante fase de transição do gás no Universo”, disse Rogier Windhorst da Arizona State University, líder de um dos times que analisaram os dados do WFC3. “Embora a interpretação exata destes novos resultados permaneça sob debate, os novos dados da WFC3 poderão fornecer uma nova excitante visão de como se processou a formação das galáxias durante e ao final da ‘era da reionização’”.

40 vezes mais eficiente?

A nova câmera instalada em agosto de 2009 no Hubble (WFC3/IR) foi capaz de realizar exposições mais profundas e descobrir novas galáxias com eficiência 40 vezes maior que a câmera infravermelha instalada anteriormente em 1997. A câmera WFC3/IR trouxe nova tecnologia e esta imagem foi capturada em apenas 4 dias de observação. Como comparação os cientistas estimaram que para obter uma imagem desta qualidade a câmera antiga teria que ter sido acionada por cerca de meio ano.

As galáxias observadas com desvio para o vermelho z=8 e a tabela que dá os valores de z e a correspondente idade do Universo. Crédito: Illingworth et al.

Fontes e referências

Hubblesite: Hubble Reaches the “Undiscovered Country” of Primeval Galaxies

Science Daily: Hubble Reaches ‘Undiscovered Country’ of Most Distant Primeval Galaxies

Astronomy.com: Hubble Ultra Deep Field 2009 detects earliest galaxies

Artigos científicos:

• P. A. Oesch et al. (Z ~ 7 GALAXIES IN THE HUDF: FIRST EPOCH WFC3/IR RESULTS)
• P.A. Oesch et al. (STRUCTURE AND MORPHOLOGIES OF Z ~ 7 − 8 GALAXIES FROM ULTRA-DEEP WFC3/IR IMAGING
  OF THE HUDF)
• R. J. Bouwens et al. (VERY BLUE UV -CONTINUUM SLOPES  OF LOW LUMINOSITY Z ~ 7 GALAXIES FROM WFC3/IR:
  EVIDENCE FOR EXTREMELY LOW METALLICITIES?)
• I. Labbé et al. (ULTRADEEP IRAC OBSERVATIONS OF SUB-L* Z ~ 7 AND Z ~ 8 GALAXIES IN THE HUDF: THE
  CONTRIBUTION OF LOW-LUMINOSITY GALAXIES TO THE STELLAR MASS DENSITY AND
  REIONIZATION)
• Illingworth’s AAS Press Conference Presentation (Hubble observations of very high‐redshift galaxies:  looking back 13 billion years…)

Eternos Aprendizes:

• Novo Hubble revela a imagem mais profunda do Universo
• A visão de campo ultra profundo do Hubble em 3D
• Como nasceram as primeiras estrelas no Universo
• SWIFT detecta o objeto mais distante no Universo visível
• A taxa de expansão do Universo foi recalculada com o dobro da precisão [A Constante de Hubble foi reestimada com precisão acima de 95%]
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