Uma equipa de astrónomos liderada por Takatoshi Shibuya (Pós-Graduação da Universidade de Estudos Avançados, Japão), Dr. Nobunary Kashikawa (Observatório Astronómico Nacional do Japão), Dr. Kazuaki Ota (Universidade de Kyoto) e Dr. Masanori Iye (Observatório Astronómico Nacional do Japão), usou os Telescópios Subaru e Keck para descobrir a galáxia mais distante até à data, SXDF-NB1006-2, a uma distância de 12,91 mil milhões de anos-luz da Terra. Esta galáxia está ligeiramente mais longe que GN-108036, que o Subaru descobriu o ano passado e que detinha o recorde de galáxia mais longínqua descoberta. Em adição, a equipa de pesquisa verificou que a proporção de hidrogénio gasoso neutro no Universo com a idade de 750 milhões de anos, era maior do que a de hoje em dia. Estes achados ajudam-nos a compreender a natureza do Universo primitivo durante a "alvorada cósmica", quando a luz de antigos objectos e estruturas celestes apareceram a partir da escuridão.
Os astrónomos pensam que o nosso Universo começou há 13,7 mil milhões de anos com o Big Bang. As extremas temperaturas e densidades desta explosão decresceram rapidamente à medida que o seu volume aumentava. Plasma cósmico quente, composto principalmente por protões e electrões, recombinaram-se para formar átomos de hidrogénio neutro 380.000 anos após o Big Bang; este foi o início da "idade das trevas" cósmicas. A partir daí, o gás continuou a arrefecer e a flutuar em densidade. Cerca de 200 a 500 milhões de anos após o Big Bang, as partes densas das nuvens de hidrogénio neutro contraíram-se sobre a sua própria gravidade, e formaram as primeiras estrelas e galáxias. A radiação desta primeira geração de estrelas começou a aquecer e a reionizar o hidrogénio no espaço à volta, eventualmente levando à reionização de todo o Universo. Esta foi a era da "reionização cósmica" ou "alvorada cósmica". A equipa científica focou o seu estudo na identificação da época exacta da alvorada cósmica num esforço de responder a grandes questões astronómicas acerca da história do Universo.
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História cósmica desde o Big Bang até ao presente.
Crédito: NAOJ
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Como é que os investigadores desenharam este estudo para explorar uma altura tão antiga e extremamente distante? Os seus primeiros passos foram o estudo de galáxias distantes e a medição dos seus números e brilhos. Dado que a luz do Universo distante demora tempo a chegar até à Terra, a identificação de galáxias mais distantes permite aos astrónomos traçarem o passado e localizarem a época da alvorada cósmica. No entanto, o hidrogénio neutro no espaço intergaláctico reduziu a luz das galáxias antes da alvorada cósmica e tornou-as mais difíceis de observar. Como a equipa necessitava de pesquisar uma vasta área em busca de objectos do Universo muito distante, usaram o foco principal do Telescópio Subaru (Suprime-Cam) para as suas observações iniciais. A Suprime-Cam captura imagens de objectos num campo de visão largo com o espelho principal de 8,2 metros do Telescópio, famoso por descobrir galáxias ténues e muito distantes, medindo posteriormente a quantidade de hidrogénio neutro no Universo jovem. A utilização da Suprime-Cam ficou ainda mais apelativa com a instalação, em 2008, de novos detectores com uma sensibilidade aproximadamente duas vezes maior que a dos seus antecessores, particularmente em desvios para o vermelho.
Armados com os olhos mais sensíveis do mundo, os cientistas levaram a cabo estudos de galáxias extremamente distantes (para lá de um desvio para o vermelho de 7, onde a maioria da libertação energética das galáxias está). Para refinar ainda mais o estudo, uma equipa liderada pelo Dr. Iye construiu um novo filtro especial com o nome de NB1006 através do qual podiam selectivamente identificar a luz de galáxias distantes a um desvio para o vermelho de quase 7,3.
A equipa usou a Suprime-Cam, juntamente com os seus novos detectores altamente sensíveis, acoplados com o filtro NB1006 para observar em detalhe duas regiões específicas do céu: o Campo Profundo do Subaru e o Campo Profundo do Subaru/XMM-Newton. Após um total de 37 horas em 7 noites de observações, a equipa processou cuidadosamente as imagens que tinham obtido. Shibuya mediu a cor de 58.733 objectos nas imagens e identificou quatro galáxias com um desvio para o vermelho de 7,3. Uma investigação cuidadosa da variação do brilho destes objectos fez com que a equipa refinasse a lista de candidatos para duas galáxias.
Seguidamente, a equipa necessitou fazer observações espectrográficas para confirmar a natureza destes candidatos. Observaram as duas galáxias com dois espectrógrafos, o FOCAS (Faint Object Camera and Spectrograph) do Telescópio Subaru e o DEIMOS (Deep Imaging Multi-Object Spectrograph) do Telescópio Keck, e identificaram o candidato para o qual a linha característica da emissão de galáxias distantes podia ser detectada.
A equipa descobriu que a proporção de hidrogénio neutro aumentava no Universo longínquo. Concluíram que cerca de 80% do hidrogénio gasoso do Universo distante, há 12,91 mil milhões de anos e com um desvio para o vermelho de 7,2, era neutro.
Em resumo, estes cuidadosos planos e procedimentos, incluindo a eliminação apropriada de contaminações que poderiam dar azo a resultados falsos, resultaram na descoberta bem sucedida e confirmação da galáxia mais distante já observada: SXDF-NB1006-2. Além disso, os achados deram à equipa confiança de que estavam a observar um objecto durante a última fase da alvorada cósmica.
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Composição a cores do Campo Profundo do Subaru/XMM Newton. A galáxia vermelha no centro da imagem é a galáxia SXDF-NB1006-2.
Crédito: NAOJ
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Espectro uni e bi-dimensional de SXDF-NB1006-2 obtido com o espectrógrafo DEIMOS acoplado ao Telescópio Keck. A seta vermelha aponta para uma linha espectral (a linha Lyman-alpha assimétrica) que suporta fortemente a identificação da galáxia no Universo antigo. A área cinzenta cobre o espectro altamente contaminado pelas linhas de emissão nocturna do hidróxilo (OH).
Crédito: NAOJ
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Embora a descoberta de uma galáxia nesta época crítica é só por si excitante, não é uma amostra suficiente para a sua caracterização. A medição precisa do número de galáxias durante a alvorada cósmica requer estudos ainda mais sensíveis. A instalação, planeada para 2012, do novo instrumento do Subaru, o Hyper Suprime-Cam (HSC) permitirá aos investigadores observar um campo de visão sete vezes maior do que o que a Suprime-Cam permite e abrirá a porta a uma grande amostra de galáxias para lá do desvio para o vermelho de 7. As observações com o HSC são passos em frente na descoberta dos períodos negros do Universo e na compreensão das propriedades físicas e formação das primeiras estrelas e galáxias. Shibuya resumiu os objectivos seguintes e as esperanças da equipa: "ao fazermos estudos com o HSC em busca de galáxias distantes para lá do desvio para o vermelho 7, conseguiremos descobrir os mecanismos da reionização cósmica de vários modos, não só ao investigar os seus números e brilho." O Dr. Iye, líder do projecto TMT (Thirty Meter Telescope) do Observatório Astronómico Nacional do Japão (NAOJ), acrescenta: "temos estado a esticar os limites de um telescópio de classe 8-10 m para detectar galáxias distantes. O espelho de 30 metros do TMT será capaz de recolher dez vezes mais luz do que os maiores telescópios actuais e detectar a ténue luz de galáxias até um desvio para o vermelho de 14. Não está longe o dia em que os mistérios da idade das trevas do Universo e que as propriedades físicas das primeiras galáxias sejam reveladas."
Estes resultados serão publicados na edição de 20 de Junho da revista Astrophysical Journal.
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