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Astrofísica

Universo remoto se ilumina

A reionização, fenômeno que pôs fim ao universo opaco, é comprovada pela primeira vez

CALTECHO quasar SDSS 1044-0125, que levou às descobertasCALTECH

“Fim da idade das trevas” e “renascimento cósmico”: foi assim que astrônomos do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), dos Estados Unidos, qualificaram um momento crucial da história do universo, que conseguiram observar em 2001. Trata-se da reionização do cosmo – ou seja, a formação da matéria em núcleos atômicos positivos e elétrons negativos – fenômeno ocorrido há cerca de 12 bilhões de anos, previsto em modelos teóricos, mas nunca antes comprovado. O grupo autor da inédita observação é coordenado pelo iogoslavo naturalizado norte-americano George Djorgovski e tem a participação principal da brasileira Sandra Castro, que se doutorou no Instituto Astronômico e Geofísico da Universidade de São Paulo (IG-USP), fez pós-doutoramento no Observatório Nacional do Rio de Janeiro (ON) e embarcou para o Caltech em 1999.

“Antes da reionização, era como se o universo estivesse cheio de uma neblina opaca e escura”, diz Sandra. “Então os fogos se acenderam e queimaram através da neblina, produzindo a luz e a claridade”. Os “fogos” a que se refere, em linguagem quase bíblica, são os mais antigos quasares, um dos quais, o SDSS 1044-0125, que Sandra estudou a fundo, levou a equipe do Caltech a sua grande descoberta.

Os quasares são objetos cósmicos extraordinários: pouco maiores que o sistema solar, chegam a brilhar 100 vezes mais que uma galáxia. Foram eles que reionizaram a neblina primitiva, tornando o universo transparente. Essa neblina era constituída por hidrogênio neutro, que absorve facilmente a luz. Com a reionização, os átomos de hidrogênio foram desmembrados em prótons e elétrons, que não mais retêm a radiação luminosa. Como resultado, o gás perdeu a opacidade e fez-se a luz.

Peça fundamental
A existência daquele meio denso e neutro, depois reionizado, era uma peça fundamental no quebra-cabeça da evolução do cosmo, até então não encontrada. A maneira de achá-la era observar o universo em grande profundidade, penetrando épocas cada vez mais remotas. “Foi o que ocorreu com a descoberta do quasar SDSS 1044-0125. Na análise espectroscópica de sua radiação, verificou-se que ela havia sofrido a absorção característica de um meio denso e neutro. Na faixa correspondente às freqüências absorvidas, o gráfico também apresentou pequenos picos de emissão, típicos de objetos primordiais em reionização”, informa Reinaldo Ramos de Carvalho, do Observatório Nacional, que trabalhou com Djorgovski na observação de mais de 100 quasares – a maior coleção desses objetos já estudada – e orientou o pós-doutoramento de Sandra Castro.

Na longa viagem desde o SDSS 1044-0125 até a Terra, a luz do quasar atravessou parte da espessa neblina que preenchia o cosmo, o que deixou uma marca no espectro luminoso do objeto: seu gráfico indica que a radiação eletromagnética diminui na faixa do ultravioleta, que corresponde aos fótons com energia suficiente para ionizar o hidrogênio atômico. Isso revela que foram os quasares da geração do SDSS 1044-0125 que arrancaram o universo de sua idade das trevas e promoveram o renascimento cósmico.

Maior telescópio
Considerada a distância do objeto, a análise espectroscópica do SDSS 1044-0125 é uma proeza que exigiu grandes recursos. Para isso, a equipe do Caltech usou nada menos que o telescópio mais poderoso do mundo: o Keck II, situado no topo do monte Mauna Kea, no Havaí, e dotado de espelho coletor de 10 metros de diâmetro. Sandra conta: “Observamos esse quasar pelo período de 1 ano, totalizando 5 horas e meia de exposições, e só conseguimos identificar o efeito produzido pela reionização depois de combinarmos todas as imagens obtidas numa única”. Ao ser descoberto, o SDSS 1044-0125 era o mais antigo objeto já observado. É difícil determinar a distância ou a idade de um quasar como esse. O que se pode fazer, com equipamento de ponta persistência, é calcular o desvio para o vermelho (redshift) da radiação eletromagnética que ele emite – uma conseqüência direta da expansão do universo.

Ocorre que a radiação que viaja pelo espaço acompanha a métrica do espaço: se ele se expande, ela se expande também, de modo que chega ao observador com um comprimento de onda maior do que ao ser emitida. No caso da luz visível, isso corresponde a um desvio para o vermelho – a faixa de radiação que tem o maior comprimento de onda -, daí o nome redshift. Dizer que um objeto tem redshift maior do que outro equivale a afirmar que suas emissões viajaram por mais tempo no espaço, sofrendo mais prolongadamente os efeitos da expansão do universo, até atingir a Terra – e, portanto, ele está mais distante.

O desvio para o vermelho (representado por z) é, assim, um modo indireto de quantificar a distância – e, conseqüentemente, a idade – de um objeto. Se a luz chega ao observador com o dobro do comprimento de onda com que saiu do objeto, ela tem um redshift igual a 1; se chega num comprimento de onda seis vezes maior, seu desvio para o vermelho é 5 – o valor de z é sempre uma unidade menor do que o do comprimento de onda final. A radiação do SDSS 1044-0125 apresentou o desvio z = 5,73. Há estruturas ainda mais recuadas, mas os recursos atuais não permitem observá-las, devido ao obstáculo imposto pela neblina de hidrogênio neutro.

Nasce um quasar
A verdadeira Natureza dos quasares ainda não é questão resolvida, mas os estudos avançaram muito desde que eles foram descobertos, na década de 60. Hoje a maioria dos pesquisadores os considera produtos do colapso gravitacional da enorme quantidade de gás e de estrelas que se acumula no centro das galáxias. Quando toda essa matéria se comprime por efeito gravitacional, o resultado é um buraco negro supermassivo – local onde a força da gravidade é tão grande que não deixa escapar sequer a luz -, com massa equivalente de 100 milhões até 1 bilhão de sóis. Essa entidade imensa passa a atrair o gás e as estrelas das vizinhanças, criando uma estrutura conhecida como disco de acreção (aglomeração).

Antes de engolidas pelo buraco negro, as partículas do disco são violentamente aceleradas em espiral. A fricção entre elas aquece o disco e produz parte da extraordinária radiação do quasar. O restante da radiação se deve a outro fenômeno. Por efeito combinado da pressão de radiação e do campo magnético, grande número de partículas é arremessado para fora, num jato perpendicular ao disco, próximo de sua borda interna. Esse fluxo é constituído por elétrons relativísticos, com velocidades muito próximas à da luz, e por uma forte emissão eletromagnética.

O nascimento dos quasares é posterior ao surgimento das galáxias, pois a atração gravitacional precisa de, no mínimo, meio bilhão de anos para acumular, no centro galáctico, aquela massa crítica de 100 milhões a 1 bilhão de sóis. E foi necessária uma quantidade significativa de quasares para a reionização alcançar a escala do universo inteiro. Em ordem decrescente de redshifts (dos eventos mais distantes e antigos para os mais próximos e recentes), pode-se atribuir às primeiras galáxias o redshift 10; aos primeiros quasares, entre 10 e 5; e à reionização, entre 6 e 5 – conforme a equipe do Caltech verificou.

Universo recombinante
Mas o universo se estende muito além – na distância e no passado. O momento de formação da densa neblina que preencheu o cosmo antes da reionização corresponde ao fantástico redshift 1500! Estima-se que tenha ocorrido 300 mil anos depois do Big Bang – o evento que, pelo modelo cosmológico dominante, originou o universo há cerca de 15 bilhões de anos. O fenômeno de formação da neblina foi chamado de recombinação: nele, após o universo se ter resfriado da temperatura infinita do Big Bang até o modesto patamar de 3 mil Kelvin (o zero da escala Kelvin, ou zero absoluto, é igual a -273,16 graus Celsius), os elétrons e os fótons, que antes interagiam intensamente, se separaram. Foi o desacoplamento entre matéria e radiação.

Livres da ação dos fótons, os elétrons puderam então ser capturados por núcleos atômicos simples, compondo os primeiros átomos. E esses átomos – basicamente de hidrogênio – formaram a neblina que preencheu o universo em sua idade das trevas. A recombinação fez com que a matéria, antes totalmente ionizada – constituída de núcleos atômicos positivos e elétrons negativos -, se tornasse eletricamente neutra. A neblina dominaria a cena por meio bilhão de anos, até que a matéria fosse reionizada.

Liberados no desacoplamento, os fótons primordiais compõem hoje a radiação cósmica de fundo, um mar de microondas que preenche todo o universo a uma temperatura de 2,7 K. Essa radiação é uma relíquia da era da recombinação: proporciona aos estudiosos um fantástico instantâneo do universo naquele momento crucial. Sua descoberta, na década de 60, forneceu um poderoso argumento a favor da teoria do Big Bang. Agora, a comprovação observacional da reionização vem reforçar ainda mais esse modelo.

Rivais unidos
Essa comprovação se deve à sinergia involuntária de duas equipes rivais. O primeiro passo foi do Grupo Sloan, formado por pesquisadores da Universidade de Princeton, do Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory, dos EUA) e de outras instituições. Reinaldo de Carvalho informa: “Com detectores tipo CCD, 20 vezes mais eficientes que as antigas chapas fotográficas e capazes de medir o fluxo da fonte emissora em cada pixel da imagem, eles estão mapeando todo o céu do Hemisfério Norte em vários comprimentos de onda. E já encontraram dois quasares com redshifts em torno de 5,7 – os mais distantes e portanto mais antigos descobertos até o momento”.

Ao definir como alvoum desses quasares,o SDSS 1044-0125, o Grupo Caltech entrou em ação. “O Caltech dispõe de 45% do tempo de operação dos dois melhores telescópios ópticos do mundo, os Keck I e II, do Havaí, frutos da doação milionária de um particular à Universidade da Califórnia”, revela Carvalho. Esse equipamento excepcional permitiu a Sandra e seus colegas fazer seu primoroso trabalho de espectroscopia, que sugere claramente a reionização.

“Até o momento, esse evento era uma aposta dos modelos teóricos. E sua comprovação não teria sido possível sem um observatório como o Keck”, reconhece Sandra. “O universo de hoje é complicado e cheio de padrões difíceis de entender. Os grandes telescópios nos aproximam de uma época em que o universo era simples. Eles nos proporcionam a visão de como a matéria começou a se organizar, passo a passo, para formar os bilhões de galáxias e estrelas que vemos hoje”.

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