Cerca de 500 milhões de anos após o Big Bang, quando o Universo tinha cerca de 3% da sua idade atual, algumas das primeiras estrelas e galáxias já tinham começado a brilhar. Os astrónomos geralmente esperavam que a maior parte do gás em torno destas galáxias jovens ainda fosse quase puro, consistindo principalmente de hidrogénio e hélio, os elementos básicos que dominaram o universo nascente.
Novas evidências sugerem que o quadro pode estar incompleto. Um estudo liderado por astrônomos da Universidade do Arizona foi publicado astronomia da natureza indica que as primeiras galáxias já libertavam elementos pesados, como carbono e oxigénio, para o espaço circundante a um ritmo mais rápido do que o esperado.
“Observámos que os elementos pesados migraram das galáxias muito cedo no tempo cósmico,” disse Yongda Zhu, primeiro autor do artigo e investigador de pós-doutoramento no Departamento de Astronomia da Universidade e no Observatório Steward. “As galáxias não só produziam estes elementos, como também os espalhavam, potencialmente semeando outras galáxias.”
Como o universo formou elementos pesados?
Havia muito poucos elementos no universo primitivo além do hidrogênio e do hélio, os dois elementos mais simples no topo da tabela periódica. À medida que a gravidade reunia esta matéria em nuvens densas, as estrelas começaram a formar-se. Dentro dessas estrelas, o calor e a pressão extremos permitiram a fusão nuclear e outras reações que criaram elementos mais pesados, como carbono e oxigênio.
Quando as estrelas chegaram ao fim das suas vidas, incluindo algumas que explodiram como supernovas, libertaram esses elementos para o espaço. Esse material mais tarde tornou-se parte de novas gerações de estrelas e planetas e, em última análise, contribuiu para a química necessária à vida. O carbono nos corpos humanos e o oxigênio que as pessoas respiram se originaram nas gerações anteriores de estrelas.
O que permaneceu incerto foi a rapidez com que esses elementos pesados escaparam das primeiras galáxias e se espalharam pelo universo mais amplo.
JWST olha para trás há mais de 13 bilhões de anos
Zhu e os seus colegas concentraram-se em três galáxias extremamente distantes, cuja luz viaja há mais de 13 mil milhões de anos. As observações mostram que as galáxias surgiram cerca de 500 milhões de anos após o Big Bang, durante um período denominado era da reionização.
Durante esta era, as primeiras gerações de estrelas e galáxias estavam remodelando o universo ao ionizar o gás hidrogênio entre as galáxias. Nesse processo, os elétrons foram removidos do núcleo de hidrogênio. À medida que a reionização progrediu, a luz ultravioleta tornou-se capaz de viajar mais livremente pelo espaço, ajudando a acabar com a “idade das trevas” cósmica do universo.
“Usamos galáxias como fontes de luz de fundo”, disse Zhu. “À medida que a luz das galáxias vinha em direção à Terra, ela passava através do gás circundante, e fomos capazes de observar os padrões de absorção da luz para traçar elementos específicos.”
O Telescópio Espacial James Webb da NASA tornou estas observações possíveis devido às suas capacidades infravermelhas, que permitem aos astrónomos estudar galáxias tal como apareciam há mais de 13 mil milhões de anos. Cerca de 30 horas de exposição recolheram luz suficiente para a equipa identificar características de absorção extremamente fracas nos espectros de galáxias distantes.
Elementos pesados já estavam escapando para o espaço
Durante uma longa noite, Zhu examinou manualmente espectros JWST disponíveis publicamente de centenas de galáxias. Em última análise, identificaram três cujos padrões de absorção mostravam evidências de elementos pesados, incluindo carbono, oxigénio e silício.
As linhas de absorção foram “desviadas para o azul” em comparação com o desvio para o vermelho das próprias galáxias. Essa mudança revelou que o gás estava a mover-se para fora, transportando oxigénio, carbono e outros elementos pesados para longe das galáxias e para o espaço intergaláctico.
Notavelmente, as assinaturas químicas em torno destas galáxias jovens pareciam muito semelhantes às encontradas em torno de galáxias muito mais maduras, milhares de milhões de anos mais tarde. A descoberta mostra que mesmo na madrugada cósmica, as galáxias já estavam a criar elementos pesados e a espalhá-los pelos seus arredores.
“Pense nesses elementos, que foram produzidos a partir das estrelas das galáxias, como corante alimentar jogado em um copo d’água”, disse Zhu. “A cor começa a difundir-se através da água e, da mesma forma, estes elementos pesados das primeiras galáxias começam a escapar para o espaço e a ‘enriquecer’ os seus arredores.”
Os primeiros ciclos bariônicos remodelaram o universo
Os astrônomos chamam essa troca de material dentro e fora das galáxias de ciclo bárion. Este processo mostra que as galáxias não são objetos completamente isolados. Em vez disso, interagem com o seu entorno como parte de um ecossistema galáctico muito maior, no qual o material criado por cada geração de estrelas é reciclado e redistribuído.
Encontrar evidências de que o ciclo bárion já estava em andamento também pode ajudar a explicar o mistério de longa data que cerca as estrelas da População III. Acredita-se que estas estrelas hipotéticas sejam da primeira geração do Universo, compostas por um gás antigo composto apenas por hidrogénio e hélio, antes de os elementos mais pesados se espalharem.
Se as galáxias já estivessem enriquecendo o espaço circundante apenas 500 milhões de anos após o Big Bang, o gás verdadeiramente antigo teria desaparecido rapidamente. Como resultado, as estrelas da População III podem não ter permanecido normais o tempo suficiente para serem facilmente observadas.
“Se você começar com sorvete de baunilha puro, mas imediatamente começar a adicionar granulado, não demorará muito até que você obtenha um sorvete de baunilha puro e puro”, disse Zhu.
