Pergunte a Ethan: Por que a idade das trevas do universo durou tanto tempo?

Na época do Big Bang, o Universo estava cheio de matéria e radiação, mas não havia estrelas nele. Com expansão e resfriamento, prótons e nêutrons se formaram na primeira fração de segundo, núcleos atômicos se formaram nos primeiros 3-4 minutos e átomos neutros se formaram nos primeiros 380.000 anos. Após outros 50-100 milhões de anos, as primeiras estrelas se formaram. Mas o Universo permaneceu escuro, e os observadores, se houvesse, não puderam ver nada até o momento que ocorreu cerca de 550 milhões de anos após o Big Bang. Por que isso aconteceu? Nosso leitor está interessado em:

O que me interessa é por que a Idade das Trevas durou centenas de milhões de anos? Pareceu-me que eles deveriam ter durado pelo menos uma ordem de magnitude menor.

A formação de estrelas e galáxias é um grande passo para criar luz, mas isso não é suficiente para acabar com a Idade das Trevas. E aqui está o porquê.


O Universo primitivo estava cheio de matéria e radiação, e era tão quente e denso que impedia o surgimento de prótons e nêutrons estáveis ​​no primeiro segundo de segundo. Após o aparecimento e aniquilação da antimatéria, nos encontramos com um mar de matéria e radiação em nossas mãos, bisbilhotando aqui e ali com velocidades próximas à luz.

Imagine o universo como se fosse apenas alguns minutos após o nascimento: antes da formação de átomos neutros. O espaço está cheio de prótons, núcleos de luz, elétrons, neutrinos e radiação. Nesta fase inicial, três coisas importantes acontecem:

1. O Universo é muito homogêneo em relação à quantidade de matéria em qualquer lugar, e as áreas mais densas diferem em alguns centésimos de uma fração de densidade das menos densas.
2. A gravidade reúne ativamente a matéria e, em regiões mais densas, há uma força de atração adicional.
3. A radiação, na maioria das vezes na forma de fótons, afasta a matéria, resistindo à gravidade.

Contanto que tenhamos radiação suficientemente energética, ela impede a formação de átomos neutros estáveis. Somente quando a expansão do Universo resfria a radiação suficientemente forte, os átomos neutros deixam de sofrer reionização imediata.


No começo quente do Universo, antes da formação de átomos neutros, os fótons se espalham dos elétrons (e, em menor grau, dos prótons) a uma velocidade muito alta, transferindo um pulso no processo. Após a formação de átomos neutros, os fótons simplesmente se movem em linha reta.

Depois disso, 380.000 anos após o surgimento do Universo, essa radiação (na maior parte dos fótons) simplesmente se propaga livremente na mesma direção em que foram pela última vez, através da matéria agora neutra. 13,8 bilhões de anos depois, observamos esse brilho residual do Big Bang na forma de radiação de relíquia. Hoje, essa é a radiação de microondas de fundo, pois os comprimentos de onda são ampliados devido à expansão do universo. Mais importante, há uma distribuição de flutuações na forma de pontos quentes e frios, correspondendo a partes cada vez menos densas do Universo.


As áreas mais densas, a densidade média e as menos densas que existiam quando o Universo tinha 380.000 anos de idade, correspondem a pontos frios, médios e quentes do CMB.

Após a formação de átomos neutros, o colapso gravitacional se torna muito mais fácil, pois os fótons interagem facilmente com os elétrons livres, mas mal com os átomos neutros. E à medida que os fótons são resfriados a energias cada vez mais baixas, a importância da matéria para o universo aumenta, então o crescimento gravitacional começa. A gravidade leva cerca de 50-100 Ma para reunir muita matéria, e o gás leva o suficiente para esfriar para permitir o colapso começar quando as primeiras estrelas se formam. Depois disso, a fusão nuclear é lançada e os primeiros elementos pesados ​​do universo aparecem.


Estruturas em grande escala do universo aparecem ao longo do tempo; pequenos defeitos crescem e se transformam nas primeiras estrelas e galáxias, depois se fundem, formando galáxias grandes e modernas que observamos hoje. Quando olhamos para longas distâncias, vemos um universo mais jovem, semelhante ao passado do nosso site local.

Mas mesmo com essas estrelas, o Universo está na Idade das Trevas. De quem é a culpa? Por causa de todos esses átomos neutros distribuídos pelo universo. Eles são da ordem de 10 a ⁸⁰ e, embora para fótons de baixa energia deixados após o Big Bang, esse assunto seja transparente, para fótons de alta energia emitidos por estrelas, é opaco. É por isso que é impossível ver estrelas no centro da galáxia sob luz visível, mas em ondas mais longas (digamos infravermelho), você pode ver diretamente através de gás e poeira neutros.


Quatro tipos diferentes da Via Láctea em quatro comprimentos de onda diferentes; no topo são longas (submilímetro), depois infravermelho distante, próximo à luz infravermelha e visível. Estrelas e caminhos de poeira em primeiro plano bloqueiam o centro da galáxia em luz visível.

Para que o universo se torne transparente à luz das estrelas, esses átomos neutros devem ser ionizados. Eles já foram ionizados uma vez: antes do universo ter 380.000 anos, chamamos o processo de reionização de reionização . E somente quando muitas estrelas são formadas e muitos fótons ultravioleta de alta energia são emitidos, esse processo de reionização pode ser concluído e terminar a Idade das Trevas. Embora as primeiras estrelas possam aparecer entre 50 e 100 milhões de anos após o Big Bang, nossas observações detalhadas nos mostram que a reionização não termina até que o universo tenha 550 milhões de anos.


Um diagrama da história do Universo, enfatizando a reionização, o que realmente aconteceu somente após a formação das primeiras estrelas e galáxias. Antes disso, o Universo estava cheio de átomos neutros que bloqueiam a luz. Embora a maior parte do Universo não tenha sofrido reionização até completar 550 milhões de anos, alguns dos locais mais felizes foram reionizados antes

Como aconteceu que as primeiras galáxias que vemos apareceram quando o universo tinha apenas 400 milhões de anos? E como o telescópio James Webb pode olhar ainda mais para o passado? Dois fatores desempenham um papel aqui:

1) A reionização não é homogênea. O universo está cheio de pedaços, imperfeições e heterogeneidades. Isso é bom, permite que estrelas, galáxias, planetas e também pessoas se formem. Mas também significa que algumas seções do espaço e direção no céu foram completamente reionizadas antes de outras. A galáxia mais distante que conhecemos, a GN-z11 , é uma galáxia brilhante e bonita para uma idade tão jovem, mas também está localizada na direção em que o Universo foi quase completamente ionizado. Com tanta coincidência, isso aconteceu 150 milhões de anos antes da reionização "média".


Só porque esta galáxia distante GN-z11 está localizada em uma região onde o ambiente intergalático é reionizado, o Hubble pôde nos mostrar hoje. James Webb irá muito mais longe.

2) Esses átomos neutros são transparentes por longos comprimentos de onda. Embora naqueles dias o Universo fosse opaco à luz visível e ultravioleta, era transparente para ondas mais longas. Por exemplo, sabe-se que os “ Pilares da Criação ” são opacos à luz visível, mas se você os observar no infravermelho, poderá ver facilmente as estrelas dentro deles.


À esquerda - uma visão na luz visível, à direita - no infravermelho, no mesmo objeto: Pilares da criação. Observe quanto gás e poeira são mais transparentes à radiação infravermelha e como isso afeta o fundo e as estrelas internas.

O telescópio James Webb não apenas se tornou o principal observatório de infravermelho, mas foi projetado especificamente para observar a luz que era infravermelha quando emitida por estrelas primitivas. Estendendo-se ainda mais, até comprimentos de onda de 30 mícrons, no meio da faixa de infravermelho, ele será capaz de observar objetos que existiam na própria Idade das Trevas.


Estudando as extensões sempre em expansão do Universo, obtemos sensibilidade não apenas a objetos mais escuros, mas também àqueles que são "bloqueados" por átomos neutros. Mas com observatórios de infravermelho também podemos vê-los.

O universo está escuro há tanto tempo, pois os átomos dentro dele são neutros há tanto tempo. Mesmo o universo reionizado de 98% permanece opaco à luz visível, e levou cerca de 500 milhões de anos para a luz das estrelas ionizar completamente todos os átomos e tornar o universo transparente. No final da Idade das Trevas, podemos ver tudo em todos os comprimentos de onda da luz, mas antes disso temos que ter sorte ou precisamos olhar ondas mais longas e menos absorvidas.

Dizer "que haja luz", tendo formado estrelas e galáxias, não é o suficiente para terminar a Idade das Trevas do Universo. Criar luz é apenas metade da batalha; criar um ambiente no qual ele possa se espalhar até os olhos é igualmente importante. Para isso, precisamos de muito ultravioleta e tempo. Mas se você parece certo, podemos olhar para a escuridão e ver o que não vimos antes. E em menos de dois anos, essa história começará.

Ethan Siegel - astrofísico, popularizador da ciência, autor de Starts With A Bang! Ele escreveu os livros "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ] e "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].