Por que não basta dizer "que haja luz"

Observe a beleza da vida. Olhe para as estrelas e como você corre com elas.
- Marco Aurélio

Imagine o céu noturno que você conhece. Longe das cidades em uma noite sem lua, nos lugares mais escuros que você já viu. Como se você se deitasse na grama e olhasse para os céus. Você olha para cima, o ar está fresco e o céu está limpo: nenhuma nuvem é visível.

O que você vai ver?



Planetas, estrelas, brilhantes e escuras, e até a Via Láctea. Mas talvez a coisa mais incrível no céu noturno não seja a presença de algumas luzes dispersas, mas o céu estar escuro em quase qualquer direção.

Se você pensar bem, há pouco sentido no que está acontecendo.



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A solução para esse paradoxo, é claro, é que, quando olhamos para as partes remotas do Universo, olhamos para o passado. Como o Universo existia em um estado inicial quente, denso e mais uniforme, houve um momento antes do qual não havia estrelas no Universo, uma vez que a gravidade levou tempo para coletar primeiro o gás original em estrelas. Se você olhar a uma distância suficientemente grande, não haverá uma única estrela visível.



Após o Big Bang, o Universo ficou quente, denso e homogêneo, e também se expandiu e esfriou. Na idade de 380.000 anos, havia esfriado o suficiente para que átomos neutros se formassem pela primeira vez. Mas, para ver algo, existem dois obstáculos:
1. Não há nada para olhar até criarmos fontes de luz.
2. E mesmo depois disso, o universo precisa se tornar transparente.

E, embora esses dois problemas - a formação das primeiras estrelas e a aquisição da transparência do universo - sejam geralmente combinados sob o nome de "séculos sombrios", esses são dois problemas separados que o universo precisa resolver.



Em primeiro lugar, antes da formação das primeiras estrelas, você simplesmente não tem nada para olhar. E embora o Universo fosse inicialmente quase homogêneo, havia pequenas imperfeições, por exemplo, áreas nas quais a matéria era um pouco mais que a média. Com o tempo, a gravidade atraiu cada vez mais matéria para áreas de maior densidade, e elas cresceram em pedaços de matéria.

Após dezenas de bilhões de anos, esses nódulos cresceram o suficiente para começar a desmoronar com seu próprio peso. E quando os núcleos desses pedaços de átomos e moléculas são suficientemente compactados, o processo de síntese nuclear - queimando hidrogênio e transformando-o em hélio - finalmente começa!



Esses locais de fusão nuclear tornam-se o núcleo das primeiras estrelas do Universo, ardendo intensamente e emitindo a primeira luz visível de um dos primeiros períodos do Big Bang.

Isso acontece apenas 50 milhões de anos após o nascimento do universo, o que parece uma lacuna muito curta para as estrelas. Mas há um problema: nenhuma dessas estrelas é visível para nós!



É claro que essas estrelas emitem luz, exatamente como as estrelas atrás da "nebulosa escura" acima, Barnard 68. Parece tão escura porque bloqueia a luz das estrelas. Porque Porque os átomos e moléculas que existem nele são exatamente do tamanho que podem absorver a luz visível.

Embora os átomos individuais tenham certas transições nas quais eles podem absorver a luz, estando ligados em configurações astutas, eles são capazes de bloquear todo o espectro da luz visível. Foi essa opacidade que se formou no Universo durante o aparecimento das primeiras estrelas: a luz foi criada, mas não podia alcançar nossos olhos.

E o que fazemos?



Precisamos ionizar esses átomos. Mais precisamente, reionize, porque antes eles já estavam ionizados: antes eles se tornaram neutros.

Mas este não é um processo rápido: exige que bilhões de estrelas apareçam, emitam radiação ultravioleta ionizante e colidem com mais de 99% dos átomos neutros no universo. Este é um processo gradual e leva cerca de 550 milhões de anos para ser concluído!



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Não basta dizer “deixe haver luz” para ver as primeiras estrelas: essa luz deve poder se mover livremente no espaço!

Eles não podem ser vistos no espectro visível. Não importa o quão bom o telescópio é para eles. Hubble, quanto tempo ele olha para essas partes do céu, ele nunca olha para trás tão longe para ver as primeiras estrelas, porque então o Universo era opaco à luz visível.

Mas há esperança, e o Telescópio Espacial James Webb terá o potencial de tornar esse sonho realidade.



Quando vistas em ondas mais longas, essas estruturas poeirentas de átomos e moléculas podem ser transparentes para elas. E mesmo que o Hubble não veja essas estrelas, James Webb, olhando na faixa de infravermelho (e bastante distante), pode olhar para o passado até o momento em que o Universo era opaco à luz visível.

Em outras palavras, em apenas alguns anos, poderemos estudar as primeiras estrelas do Universo, e não apenas o que aconteceu centenas de milhões de anos depois, quando o Universo se tornou transparente à luz visível. Até agora, as primeiras estrelas do Universo podem ser invisíveis, mas o problema está em nossos olhos, e não na luz!