CIENTISTAS MEDEM TODA A LUZ ESTELAR JÁ PRODUZIDA PELO UNIVERSO OBSERVÁVEL 4 de dezembro de 2018
O astrofísico de Clemson, Marco Ajello, e a sua equipa, mediram toda a luz já emitida na história do Universo observável.
Crédito: Pete Martin/College of Science
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A partir dos seus laboratórios, num planeta rochoso superado pela vastidão do espaço, cientistas da Universidade de Clemson conseguiram medir toda a luz estelar já produzida ao longo da história do Universo observável.
Os astrofísicos pensam que o nosso Universo, que tem cerca de 13,7 mil milhões de anos, começou a formar as primeiras estrelas quando tinha algumas centenas de milhões de anos. Desde então, o Universo tornou-se numa verdadeira máquina de fazer estrelas. Existem agora aproximadamente 2 biliões de galáxias (2x10^12) e um quatrilião (10^24) de estrelas. Usando novos métodos de medição de luz estelar, o astrofísico Marco Ajello e a sua equipa analisaram dados do Telescópio Espacial de Raios-Gama Fermi da NASA para determinar a história da formação estelar durante a maior parte do tempo de vida do Universo.
O artigo colaborativo foi publicado na edição de 30 de novembro da revista Science e descreve os resultados e as ramificações do novo processo de medição da equipa.
"A partir dos dados recolhidos pelo telescópio Fermi, fomos capazes de medir a quantidade total de luz estelar já emitida. Isto nunca tinha sido feito antes," realça Ajello, autor principal do artigo. "A maior parte dessa luz é emitida por estrelas que vivem em galáxias. E, assim, isso permitiu-nos entender melhor o processo de evolução estelar e obter perceções cativantes sobre como o Universo produziu o seu conteúdo luminoso."
Colocar um número na quantidade de luz estelar já produzida tem várias variáveis que dificultam a quantificação em termos simples. Mas, de acordo com a nova medição, o número de fotões (partículas de luz visível) que escaparam para o espaço após serem emitidos pelas estrelas traduz-se em 4x10^84.
Dito de outra forma: 4.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000. 000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 fotões.
Apesar deste número estupendamente grande, é interessante notar que, à exceção da luz que vem do nosso próprio Sol e da Galáxia, o resto da luz estelar que alcança a Terra é extremamente fraca - equivalente a uma lâmpada de 60 watts, vista em completa escuridão, a cerca de 4 km de distância. Isto porque o Universo é quase incompreensivelmente grande. É também por isso que o Universo é escuro à noite, além da luz da Lua, das estrelas visíveis do brilho fraco da Via Láctea.
O Telescópio Espacial de Raios-Gama Fermi foi lançado para órbita no dia 11 de junho de 2008 e recentemente comemorou o seu 10.º aniversário. É um poderoso observatório que forneceu quantidades enormes de dados sobre raios-gama (a forma mais energética de luz) e sobre a sua interação com a luz extragalática de fundo, que é uma névoa cósmica composta por toda a luz ultravioleta, visível e infravermelha emitida por estrelas ou poeira na sua vizinhança. Ajello e o colega de pós-doutoramento Vaidehi Paliya analisaram quase nove anos de dados referentes a sinais de raios-gama de 739 blazares.
Os blazares são galáxias contendo buracos negros que são capazes de libertar jatos estreitamente colimados de partículas energéticas que saltam das suas galáxias e cruzam o cosmos quase à velocidade da luz. Quando um desses jatos está, fortuitamente, apontado diretamente para a Terra, é detetável mesmo quando tem uma origem muito distante. Os fotões de raios-gama produzidos dentro dos jatos eventualmente colidem com a névoa cósmica, deixando uma impressão observável. Isso permitiu que a equipa de Ajello medisse a densidade do nevoeiro, não apenas num determinado local, mas também num determinado momento da história do Universo.
"Os fotões de raios-gama que viajam através de um nevoeiro de luz estelar têm uma grande probabilidade de serem absorvidos," afirma Ajello, que é professor assistente no departamento de física e astronomia. "Ao medir o número de fotões absorvidos, fomos capazes de medir a espessura da névoa e medir também, em função do tempo, quanta luz havia em toda a faixa de comprimentos de onda."
Usando levantamentos galácticos, a história da formação estelar do Universo é estudada há décadas. Mas um obstáculo enfrentado por investigações anteriores era que algumas galáxias estavam muito distantes, ou eram muito fracas, para qualquer telescópio atual as detetar. Isto obrigou os cientistas a estimar a luz das estrelas produzida por essas galáxias distantes, em vez de a registar diretamente.
A equipa de Ajello conseguiu contornar isso usando os dados do LAT (Large Area Telescope) do Fermi para analisar a luz extragalática de fundo. A luz estelar que escapa das galáxias, incluindo as mais distantes, acaba eventualmente por se tornar parte da luz extragalática de fundo. Portanto, as medições precisas dessa névoa cósmica, que só recentemente foram possíveis, eliminaram a necessidade de estimar as emissões de luz de galáxias ultradistantes.
Paliya realizou a análise de raios-gama de todos os 739 blazares, cujos buracos negros são milhões a milhares de milhões de vezes mais massivos que o nosso Sol.
"Usando blazares a distâncias diferentes, medimos a luz das estrelas em diferentes períodos de tempo," explica Paliya do departamento de física e astronomia. "Nós medimos a luz estelar total de cada época - há mil milhões de anos, há dois mil milhões de anos, seis mil milhões de anos, etc. - até à formação das primeiras estrelas. Isto permitiu-nos reconstruir a luz extragalática de fundo e determinar a história da formação estelar do Universo de uma maneira mais eficaz do que havia sido alcançada antes."
Quando os raios-gama altamente energéticos colidem com luz visível de baixa energia, transformam-se em pares de eletrões e positrões. Segundo a NASA, a capacidade do Fermi em detetar raios-gama através de uma ampla gama de energias torna-o especialmente adequado para mapear a névoa cósmica. Estas interações de partículas ocorrem ao longo de distâncias cósmicas imensas, o que permitiu que o grupo de Ajello investigasse mais profundamente do que nunca a produtividade de formação estelar no Universo.
"Os cientistas há muito tempo que tentam medir a luz extragalática de fundo. No entanto, fontes muito luminosas no plano da frente, como a luz zodiacal (que é luz espalhada pela poeira no Sistema Solar) tornavam esta medição muito complexa," afirma o coautor Abhishek Desai, assistente de pesquisa no departamento de física e astronomia. "A nossa técnica é insensível a qualquer primeiro plano e, assim, superou essas dificuldades de uma só vez."
A formação estelar, que ocorre quando regiões densas de nuvens moleculares colapsam e formam estrelas, atingiu o pico há 11 mil milhões de anos. Mas embora o nascimento de novas estrelas tenha diminuído desde então, nunca cessou. Por exemplo, na nossa Via Láctea nascem cerca de sete novas estrelas por ano.
De acordo com o membro da equipa Dieter Hartmann, professor no departamento de física e astronomia de Clemson, o estabelecimento, não apenas da luz extragalática de fundo atual, mas da revelação da sua evolução ao longo da história cósmica, é um grande avanço neste campo.
"A formação estelar é um grande ciclo cósmico de reciclagem de energia, matéria e metais. É o motor do Universo," salienta Hartmann. "Sem a evolução estelar, não teríamos os elementos fundamentais necessários para a existência da vida."
A compreensão da formação estelar também tem ramificações para outras áreas de estudo astronómico, incluindo investigações sobre a poeira cósmica, evolução galáctica e matéria escura. A análise da equipa irá fornecer missões futuras com uma diretriz para explorar os primeiros dias da evolução estelar - como o Telescópio Espacial James Webb, com lançamento previsto para 2021 e que vai permitir com que os cientistas cacem a formação de galáxias primordiais.
"Os primeiros milhares de milhões de anos da história do nosso Universo é uma época muito interessante que ainda não foi investigada pelos satélites atuais," conclui Ajello. "A nossa medição permite-nos espiar esta época. Talvez um dia possamos encontrar uma maneira de olhar até ao Big Bang. Este é o nosso objetivo final."
Construído usando nove anos de observações pelo LAT do Fermi, este mapa mostra como o céu em raios-gama aparece em energias acima dos 10 mil milhões eV (eletrão-volt). O plano da nossa Via Láctea percorre o meio da imagem. As cores mais brilhantes indicam fontes mais brilhantes de raios-gama.
Crédito: NASA/DOE/Colaboração LAT do Fermi
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