ESO: ALMA detecta o oxigênio mais distante já observado até hoje

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Imagem em cores compostas de uma parte do rastreio de campo profundo Subaru XMM-Newton. Painel da direita: A galáxia vermelha no centro da imagem consiste na galáxia muito distante SXDF-NB1006-2. Painéis da esquerda: Imagens de grande plano da galáxia SXDF-NB1006-2. Crédito: NAOJ

Com o auxílio do Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), uma equipe de astrônomos conseguiu detectar oxigênio brilhante numa galáxia distante observada apenas 700 milhões de anos depois do Big Bang. Trata-se da galáxia mais longínqua na qual foi detectado oxigênio de forma inequívoca, que está certamente sendo ionizado pela forte radiação emitida por estrelas gigantes jovens. Esta galáxia pode bem ser um exemplo de um dos tipos de fontes responsáveis pela reionização cósmica na história primordial do Universo.

Astrônomos do Japão, Suécia, Reino Unido e ESO utilizaram o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para observar uma das mais distantes galáxias conhecidas. A galáxia SXDF-NB1006-2 tem um desvio para o vermelho z~7,2, o que significa que a observamos apenas 700 milhões de anos após o Big Bang .

A equipe esperava investigar os elementos químicos pesados [1] presentes na galáxia, uma vez que estes elementos nos informam sobre o nível de formação estelar existente, fornecendo assim pistas sobre o período da história do Universo conhecido por reionização cósmica.

Akio Inoue, membro da Universidade de Osaka Sangyo, Japão, autor principal do artigo científico que descreve estes resultados publicado na revista Science, explicou:

Procurar elementos pesados no Universo primordial é um passo essencial para explorar a formação estelar neste período. Estudar elementos pesados também fornece pistas para compreender como é que as galáxias se formaram e o que é que causou a reionização cósmica.

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Diagrama esquemático da história do Universo – Este diagrama mostra os principais marcos da evolução do Universo desde o Big Bang, há cerca de 13,8 bilhões de anos atrás. O esquema não se encontra em escala. O Universo estava num estado neutro 400 mil anos após o Big Bang e assim se manteve até que a radiação emitida pela primeira geração de estrelas começou a ionizar o hidrogênio. Após várias centenas de milhões de anos, o gás do Universo encontrava-se completamente ionizado. Crédito: NAOJ

Na era anterior à formação dos objetos, o Universo encontrava-se cheio de gás neutro eletricamente. No entanto, quando os primeiros objetos começaram a brilhar, algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, emitiram forte radiação que começou a quebrar os átomos neutros — ionizando o gás. Durante esta fase — conhecida por reionização cósmica — todo o Universo se modificou de forma drástica. No entanto, não há consenso sobre quais os tipos de objetos que causaram a reionização. Estudar as condições existentes em galáxias muito distantes pode ajudar a responder a esta questão.

Antes de observarem esta galáxia distante, os astrônomos fizeram simulações de computador para prever quão facilmente se poderia observar evidências de oxigênio ionizado com o ALMA. Levaram também em conta observações de galáxias semelhantes, mas que se encontram muito mais próximas da Terra e concluíram que a emissão do oxigênio poderia ser detectada, mesmo a grandes distâncias [2].

Em seguida a equipe realizou observações de elevada sensibilidade com o ALMA [3] e descobriu radiação emitida por oxigênio ionizado na galáxia SXDF-NB1006-2, sendo esta a detecção inequívoca de oxigênio mais distante obtida até hoje [4]. Trata-se assim de evidência sólida da presença de oxigênio no Universo primordial, apenas 700 milhões de anos após o Big Bang.

Descobriu-se que o oxigênio em SXDF-NB1006-2 é dez vezes menos abundante do que no Sol.

Naoki Yoshida, membro da Universidade de Tóquio, adicionou:

A baixa abundância encontrada é esperada, uma vez que o Universo era ainda jovem, apresentando uma curta história de formação estelar nessa altura. As nossas simulações previram efetivamente uma abundância dez vezes menor que a do Sol. No entanto, temos outro resultado que é inesperado: uma pequena quantidade de poeira.

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Concepção artística da galáxia distante SXDF-NB1006-2. Esta galáxia abriga muitas estrelas jovens brilhantes, que ionizam o gás existente tanto no interior da galáxia como à sua volta. A cor verde indica oxigênio ionizado detectado pelo ALMA, enquanto que o roxo mostra a distribuição do hidrogênio ionizado detectado pelo Telescópio Subaru. Crédito: NAOJ

A equipe não conseguiu detectar nenhuma emissão de carbono vinda da galáxia, sugerindo que esta jovem galáxia contém muito pouco hidrogênio gasoso não ionizado. Os astrônomos descobriram ainda que a galáxia contém apenas uma pequena quantidade de poeira, constituída por elementos pesados.

Akio Inoue, comentou:

Algo estranho se passa nessa galáxia. Eu penso que quase todo o gás se encontra altamente ionizado.

A detecção de oxigênio ionizado indica que muitas estrelas muito brilhantes, dezenas de vezes mais massivas que o Sol, se formaram na galáxia e se encontram a emitir radiação ultravioleta intensa, necessária à ionização dos átomos de oxigênio.

A falta de poeira na galáxia permite que a radiação ultravioleta escape e ionize enormes quantidades de gás fora da galáxia. Akio Inoue disse:

SXDF-NB1006-2 poderá ser um protótipo das fontes de radiação responsáveis pela reionização cósmica.

Yoichi Tamura, membro da Universidade de Tóquio, explicou:

Este é um passo importante no sentido de compreendermos que tipo de objetos causaram a reionização cósmica. Nossas próximas observações com o ALMA já começaram. Observações de mais alta resolução permitirão ver a distribuição e os movimentos do oxigênio ionizado na galáxia, fornecendo-nos assim informações vitais que nos ajudarão a compreender as propriedades desta galáxia.

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Imagem de cores compostas da galáxia distante SXDF-NB1006-2. A radiação emitida pelo oxigênio ionizado detectado pelo ALMA é mostrada em verde. A radiação emitida pelo hidrogênio ionizado detectado pelo Telescópio Subaru e a radiação ultravioleta detectada pelo Telescópio Infravermelho do Reino Unido (UKIRT) estão em azul e vermelho, respectivamente. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NAOJ

Este trabalho foi descrito no artigo científico intitulado “Detection of an oxygen emission line from a high redshift galaxy in the reionization epoch” assinado por Inoue et al., publicado na revista Science.

Notas

[1] Na terminologia astronômica, elementos químicos mais pesados que o lítio são conhecidos por elementos pesados (metais).

[2] O satélite astronômico infravermelho japonês AKARI tinha já descoberto que esta emissão de oxigênio é muito brilhante na Grande Nuvem de Magalhães, a qual apresenta um meio semelhante ao do Universo primordial.

[3] O comprimento de onda original da radiação do oxigênio duplamente ionizado é 0,088 milímetros. O comprimento de onda da radiação emitida por SXDF-NB1006-2 está esticado até aos 0,725 milímetros devido à expansão do Universo, fazendo com que esta radiação possa ser observada pelo ALMA.

[4] Trabalho anterior de Finkelstein et al. sugeriu a presença de oxigênio num tempo ligeiramente mais primordial, no entanto não houve detecção direta de uma linha de emissão, como é o caso deste novo trabalho.