Crédito de imagem: ESO
Uma equipe de astrônomos do Havaí descobriu uma galáxia distante a 12,8 bilhões de anos-luz de distância, que nos mostra como era o Universo quando tinha apenas 900 milhões de anos. Eles descobriram a galáxia usando uma câmera especial instalada no telescópio Canadá-França-Havaí, que busca objetos distantes em uma frequência de luz muito específica. Ao descobrir esta galáxia, localizada na constelação de Cetus, bem perto da estrela Mira, a equipe desenvolveu uma nova metodologia para descobrir objetos distantes que deve ajudar futuros observadores a olhar ainda mais para o passado.
Com telescópios e instrumentos aprimorados, tornaram-se possíveis observações de galáxias extremamente remotas e fracas, que eram até recentemente os sonhos dos astrônomos.
Um desses objetos foi encontrado por uma equipe de astrônomos [2] com uma câmera de campo amplo instalada no telescópio Canadá-França-Havaí em Mauna Kea (Havaí, EUA) durante uma busca por galáxias extremamente distantes. Designado “z6VDF J022803-041618”, foi detectado por causa de sua cor incomum, sendo visível apenas em imagens obtidas através de um filtro óptico especial que isola a luz em uma estreita faixa de infravermelho próximo.
Um espectro de acompanhamento desse objeto com o instrumento multimodo FORS2 no ESO Very Large Telescope (VLT) confirmou que é uma galáxia muito distante (o desvio para o vermelho é de 6,17 [3]). É visto como era quando o Universo tinha apenas cerca de 900 milhões de anos.
O z6VDF J022803-041618 é uma das galáxias mais distantes para as quais os espectros foram obtidos até o momento. Curiosamente, foi descoberto por causa da luz emitida por suas estrelas massivas e não, como originalmente esperado, da emissão por gás hidrogênio.
Uma breve história do Universo primitivo
A maioria dos cientistas concorda que o Universo emanou de um estado inicial quente e extremamente denso em um Big Bang. As últimas observações indicam que esse evento crucial ocorreu cerca de 13.700 milhões de anos atrás.
Durante os primeiros minutos, enormes quantidades de núcleos de hidrogênio e hélio com prótons e nêutrons foram produzidas. Havia também muitos elétrons livres e, durante a época seguinte, os numerosos fótons foram espalhados a partir destes e dos núcleos atômicos. Nesta fase, o universo era completamente opaco.
Após cerca de 100.000 anos, o Universo havia esfriado a alguns milhares de graus e os núcleos e elétrons agora se combinavam para formar átomos. Os fótons não estavam mais espalhados a partir deles e o Universo de repente se tornou transparente. Os cosmologistas se referem a esse momento como a "época da recombinação". A radiação de fundo de microondas que agora observamos de todas as direções descreve o estado de grande uniformidade no Universo naquela época distante.
Na fase seguinte, os átomos primitivos - mais de 99% dos quais eram de hidrogênio e hélio - se moveram juntos e começaram a formar nuvens enormes das quais estrelas e galáxias surgiram posteriormente. A primeira geração de estrelas e, um pouco mais tarde, as primeiras galáxias e quasares [4], produziram intensa radiação ultravioleta. Essa radiação não viajou muito longe, no entanto, apesar do fato de o Universo ter se tornado transparente há muito tempo. Isso ocorre porque os fótons ultravioleta (comprimento de onda curto) seriam imediatamente absorvidos pelos átomos de hidrogênio, "arrancando" os elétrons desses átomos, enquanto os fótons com comprimento de onda mais longo podiam viajar muito mais longe. O gás intergaláctico tornou-se novamente ionizado em esferas em constante crescimento em torno das fontes ionizantes.
Em algum momento, essas esferas se tornaram tão grandes que se sobrepuseram completamente; isso é chamado de "época da reionização". Até então, a radiação ultravioleta era absorvida pelos átomos, mas o Universo agora também se tornava transparente para essa radiação. Antes, a luz ultravioleta daquelas primeiras estrelas e galáxias não podia ser vista em grandes distâncias, mas agora o Universo de repente parecia estar cheio de objetos brilhantes. É por esse motivo que o intervalo de tempo entre as épocas de "recombinação" e "reionização" é chamado de "Idade das Trevas".
Quando foi o fim da "Idade das Trevas"?
A época exata da reionização é objeto de debate ativo entre os astrônomos, mas resultados recentes de observações do solo e do espaço indicam que a "Idade das Trevas" durou algumas centenas de milhões de anos. Vários programas de pesquisa estão em andamento e tentam determinar melhor quando esses primeiros eventos aconteceram. Para isso, é necessário encontrar e estudar em detalhes os objetos mais antigos e, portanto, mais distantes do Universo - e esse é um esforço observacional muito exigente.
A luz é esmaecida pelo quadrado da distância e, quanto mais olhamos no espaço para observar um objeto - e, portanto, quanto mais tempo o vemos - mais fraco ele aparece. Ao mesmo tempo, sua luz fraca é deslocada para a região vermelha do espectro devido à expansão do Universo - quanto maior a distância, maior o desvio para o vermelho observado [3].
A linha de emissão Lyman-alpha
Nos telescópios terrestres, os menores limites de detecção são alcançados por observações na parte visível do espectro. A detecção de objetos muito distantes, portanto, requer observações de assinaturas espectrais ultravioletas que foram transferidas para o vermelho na região visível. Normalmente, os astrônomos usam para isso a linha de emissão espectral Lyman-alpha com desvio para o vermelho com comprimento de onda de 121,6 nm; corresponde a fótons emitidos por átomos de hidrogênio quando eles mudam de um estado excitado para seu estado fundamental.
Uma maneira óbvia de procurar as galáxias mais distantes é, portanto, procurar a emissão de Lyman-alfa nos comprimentos de onda mais vermelhos (mais longos) possíveis. Quanto maior o comprimento de onda da linha Lyman-alfa observada, maior é o desvio para o vermelho e a distância, e quanto mais cedo é a época em que vemos a galáxia e mais próximos chegamos ao momento que marcou o final da “Idade das Trevas ”.
Os detectores CCD usados em instrumentos astronômicos (bem como em câmeras digitais comerciais) são sensíveis à luz de comprimentos de onda de até cerca de 1000 nm (1 μm), ou seja, na região espectral do infravermelho próximo, além da luz mais vermelha que pode ser percebido pelo olho humano em cerca de 700-750 nm.
O céu noturno infravermelho brilhante
Há outro problema, no entanto, para esse tipo de trabalho. A busca por fraca emissão de Lyman-alfa de galáxias distantes é complicada pelo fato de que a atmosfera terrestre - através da qual todos os telescópios terrestres devem olhar - também emite luz. Isto é particularmente verdade na parte vermelha e infravermelha do espectro, onde centenas de linhas de emissão discretas se originam da molécula hidroxila (o radical OH) que está presente na atmosfera terrestre superior a uma altitude de cerca de 80 km (ver foto PR) 13a / 03).
Essa forte emissão que os astrônomos chamam de "fundo do céu" é responsável pelo limite de desmaio no qual os objetos celestes podem ser detectados com telescópios terrestres com comprimentos de onda no infravermelho próximo. No entanto, felizmente, existem intervalos espectrais de “baixo nível de OH” em que essas linhas de emissão são muito mais fracas, permitindo um limite de detecção mais fraco a partir de observações no solo. Duas dessas “janelas do céu escuro” são evidentes na foto 13a / 03 do PR, perto dos comprimentos de onda de 820 e 920 nm.
Considerando esses aspectos, uma maneira promissora de procurar eficientemente as galáxias mais distantes é, portanto, observar comprimentos de onda próximos a 920 nm por meio de um filtro óptico de banda estreita. A adaptação da largura espectral deste filtro a cerca de 10 nm permite detectar o máximo de luz possível dos objetos celestes quando emitida em uma linha espectral correspondente ao filtro, minimizando a influência adversa da emissão do céu.
Em outras palavras, com o máximo de luz coletada dos objetos distantes e o mínimo de luz perturbadora da atmosfera terrestre, as chances de detectar esses objetos distantes são ótimas. Os astrônomos falam sobre "maximizar o contraste" de objetos que mostram linhas de emissão nesse comprimento de onda.
O Programa de Pesquisa CFHT
Com base nas considerações acima, uma equipe internacional de astrônomos [2] instalou um filtro óptico de banda estreita centrado no comprimento de onda do infravermelho próximo de 920 nm no instrumento CFH12K no telescópio Canadá-França-Havaí em Mauna Kea (Havaí, EUA) para procurar galáxias extremamente distantes. A CFH12K é uma câmera de campo amplo usada no foco principal da CFHT, oferecendo um campo de visão de aprox. 30 x 40 arcmin2, um pouco maior que a lua cheia [5].
Ao comparar imagens do mesmo campo do céu obtidas por diferentes filtros, os astrônomos conseguiram identificar objetos que aparentam ser comparativamente "brilhantes" na imagem do NB920 e "fracos" (ou até mesmo não são visíveis) nas imagens correspondentes obtidas pelos outros filtros. . Um exemplo impressionante é mostrado na foto PR 13b / 03 - o objeto no centro é bem visível na imagem de 920 nm, mas não nas demais imagens.
A explicação mais provável para um objeto com uma cor tão incomum é que é uma galáxia muito distante para a qual o comprimento de onda observado da forte linha de emissão de Lyman-alfa está próximo de 920 nm, devido ao desvio para o vermelho. Qualquer luz emitida pela galáxia em comprimentos de onda menores que Lyman-alfa é fortemente absorvida pelo gás hidrogênio interestelar e intergalático interveniente; esse é o motivo pelo qual o objeto não é visível em todos os outros filtros.
O espectro VLT
Para conhecer a verdadeira natureza desse objeto, é necessário realizar um acompanhamento espectroscópico, observando seu espectro. Isso foi realizado com o instrumento multimodo FORS 2 no telescópio VLT YEPUN de 8,2 m no Observatório Paranal do ESO. Essa instalação fornece uma combinação perfeita de resolução espectral moderada e alta sensibilidade em vermelho para esse tipo de observação muito exigente. O espectro resultante (fraco) é mostrado na foto PR 13c / 03.
O PR Photo 13d / 03 mostra um traçado do espectro final (“limpo”) do objeto após a extração da imagem mostrada no PR Photo 13c / 03. Uma linha de emissão ampla é claramente detectada (à esquerda do centro; ampliada na inserção). É assimétrico, sendo pressionado no lado azul (esquerdo). Isso, combinado com o fato de que nenhuma luz contínua é detectada à esquerda da linha, é uma assinatura espectral clara da linha Lyman-alfa: os fótons mais azuis que o Lyman-alfa são fortemente absorvidos pelo gás presente na própria galáxia. , e no meio intergalático ao longo da linha de visão entre a Terra e o objeto.
As observações espectroscópicas, portanto, permitiram aos astrônomos identificar inequivocamente essa linha como Lyman-alfa e, portanto, confirmar a grande distância (alto desvio para o vermelho) desse objeto em particular. O desvio para o vermelho medido é 6,17, tornando este objeto uma das galáxias mais distantes já detectadas. Ele recebeu a designação "z6VDF J022803-041618" - a primeira parte desse nome um tanto pesado refere-se à pesquisa e a segunda indica a posição dessa galáxia no céu.
Luz das estrelas no Universo primitivo
No entanto, essas observações não ocorreram sem surpresa! Os astrônomos esperavam (e esperavam) detectar a linha Lyman-alfa do objeto no centro da janela espectral de 920 nm. No entanto, enquanto a linha Lyman-alfa foi encontrada, ela foi posicionada em um comprimento de onda um pouco menor.
Portanto, não foi a emissão de Lyman-alfa que causou essa galáxia "brilhante" na imagem de banda estreita (NB920), mas a emissão de "continuum" em comprimentos de onda maiores do que a de Lyman-alfa. Essa radiação é muito pouco visível como uma linha horizontal difusa na PR Photo 13c / 03.
Uma conseqüência é que o desvio para o vermelho medido de 6,17 é menor que o desvio para o vermelho originalmente previsto de cerca de 6,5. Outra é que o z6VDF J022803-041618 foi detectado pela luz de suas estrelas massivas (o “continuum”) e não pela emissão de gás hidrogênio (linha Lyman-alfa).
Esta conclusão interessante é de particular interesse, pois mostra que, em princípio, é possível detectar galáxias a essa distância enorme sem ter que confiar na linha de emissão Lyman-alfa, que nem sempre pode estar presente nos espectros das galáxias distantes. Isso fornecerá aos astrônomos uma imagem mais completa da população da galáxia no início do Universo.
Além disso, observar cada vez mais galáxias distantes ajudará a entender melhor o estado de ionização do Universo nessa idade: a luz ultravioleta emitida por essas galáxias não deve nos atingir em um universo "neutro", ou seja, antes da reionização. . A busca por mais galáxias desse tipo está agora esclarecendo como aconteceu a transição da Idade das Trevas!
Fonte original: Comunicado de imprensa do ESO
