ALMA observa de forma inédita a formação de galáxias no Universo primordial

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Esta imagem mostra uma combinação dos dados do ALMA e do Very Large Telescope. O objeto central é uma galáxia muito distante chamada BDF 3299, que está a ser observada quando o Universo tinha menos de 800 milhões de anos de idade. A nuvem brilhante vermelha logo à esquerda e abaixo da galáxia é a detecção feita pelo ALMA de uma vasta nuvem de material que se encontra construindo a galáxia muito jovem. Créditos: ESO / R. Maiolino

Com o auxílio do Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) foram detectadas as nuvens de gás de formação estelar mais distantes observadas até hoje em galáxias normais no Universo primordial. As novas observações permitem aos astrônomos começar a ver como é que as primeiras galáxias foram construídas e como é que limparam o nevoeiro cósmico durante a era da reionização. Esta é a primeira vez que tais galáxias são observadas com melhor detalhe do que simples manchas tênues.

Quando as primeiras galáxias se começaram a formar algumas centenas de milhões de anos depois do Big Bang, o Universo estava cheio de um nevoeiro de hidrogênio gasoso. Mas à medida que mais e mais fontes brilhantes — tanto estrelas como quasares alimentados por enormes buracos negros — começaram a brilhar, este nevoeiro foi desaparecendo tornando o Universo transparente à radiação ultravioleta [1]. Os astrônomos chamam a este período a época da reionização, no entanto pouco se sabe acerca destas primeiras galáxias e, até agora, apenas se tinham observado como manchas tênues. Estas novas observações obtidas com o poder do ALMA estão a mudar esta realidade.

Uma equipe de astrônomos liderada por Roberto Maiolino (Cavendish Laboratory e Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, Reino Unido) apontou o ALMA para as galáxias que se sabia estarem a ser observadas cerca de apenas 800 milhões de anos depois do Big Bang [2]. Os astrônomos não estavam à procura da radiação emitida pelas estrelas, mas sim do fraco brilho do carbono ionizado [3] emitido pelas nuvens de gás a partir das quais se formam as estrelas. A equipe pretendia estudar a interação entre uma geração de estrelas jovem e os frios nós de gás que se estavam a formar nestas primeiras galáxias.

A equipe também não estava procurando por objetos raros extremamente brilhantes — tais como quasares e galáxias com elevada taxa de formação estelar — que tinham sido observados anteriormente. Em vez disso, o trabalho concentrou-se em galáxias muito mais comuns, galáxias que reionizaram o Universo e se transformaram na maior parte das galáxias que vemos hoje à nossa volta.

Vindo de uma das galáxias, a BDF2399, o ALMA captou um sinal fraco, mas claro, de carbono brilhante. No entanto, este brilho não vinha do centro da galáxia, mas sim de um dos lados.

A coautora Andrea Ferrara (Scuola Normale Superiore, Pisa, Itália) explica a importância desta nova descoberta:

Trata-se da detecção mais distante deste tipo de emissão de uma galáxia “normal”, observada a menos de um bilhão de anos depois do Big Bang, o que nos dá a oportunidade de observar a formação das primeiras galáxias. Estamos observando pela primeira vez galáxias primordiais não como pequenos pontos, mas como objetos com estrutura interna!

Os astrônomos pensam que a localização deslocada do centro desta emissão deve-se ao fato das nuvens centrais estarem sendo desfeitas pelo meio inóspito criado pelas estrelas recém formadas — tanto pela sua radiação intensa como pelos efeitos de explosões de supernova — enquanto o carbono está traçando o gás frio recente que está sendo acretado do meio intergaláctico.

Ao combinar as novas observações ALMA com simulações de computador foi possível compreender em detalhe processos chave que estão a ocorrer no seio das primeiras galáxias. Os efeitos da radiação emitida pelas estrelas, o sobreviver de nuvens moleculares, o fato da radiação ionizante se escapar e a estrutura complexa do meio interestelar podem agora ser calculados e comparados às observações. A BDF2399 é muito possivelmente um exemplo típico das galáxias responsáveis pela reionização.

Andrea Ferrara acrescentou:

Durante muitos anos tentamos compreender o meio interestelar e a formação das fontes de reionização. Conseguir finalmente testar previsões e hipóteses em dados reais do ALMA é algo extremamente excitante e que nos abre um novo conjunto de questões. Este tipo de observação clarificará muitos dos difíceis problemas que temos tido com a formação das primeiras estrelas e galáxias no Universo.

Roberto Maiolino concluiu:

Este estudo teria sido simplesmente impossível sem o ALMA, uma vez que nenhum outro instrumento consegue atingir a sensibilidade e resolução espacial necessárias. Embora esta seja uma das observações mais profundas do ALMA realizada até agora, estamos ainda longe de atingir todas as capacidades deste telescópio. No futuro o ALMA fará imagens da estrutura fina das galáxias primordiais, mostrando em detalhe a formação das primeiras galáxias.

Este trabalho foi descrito num artigo científico intitulado “The assembly of “normal” galaxies at z∼7 probed by ALMA”, assinado por R. Maiolino et al., publicado na revista especializada Monthly Notices of the Royal Astronomical Society em 22 de julho de 2015.

Notas

[1] O hidrogênio neutro gasoso absorve de forma eficiente toda a radiação ultravioleta de alta energia emitida por estrelas jovens quentes. Consequentemente, estas estrelas são quase impossíveis de observar no Universo primordial. Ao mesmo tempo, a radiação ultravioleta absorvida ioniza o hidrogênio, fazendo com que se torne completamente transparente. As estrelas quentes estão por isso a “moldar” bolhas transparentes no gás. Assim que todas estas bolhas se juntam enchendo todo o espaço, a reionização está completa e o Universo torna-se completamente transparente.

[2] Com desvios para o vermelho entre z=6,8 e z=7,1.

[3] Os astrônomos estão especialmente interessados no carbono ionizado, já que esta linha espectral particular contém a maioria da energia injetada pelas estrelas, permitindo assim traçar o gás frio a partir do qual as estrelas se formam. De modo concreto, a equipa estava à procura da emissão do carbono uma vez ionizado (conhecido por [C II]). Esta radiação é emitida com o comprimento de onda de 158 mícron que, ao ser esticada pela expansão do Universo, chega ao ALMA exatamente com o bom comprimento de onda para ser detectada, cerca de 1,3 milímetros.