Quando o Universo ainda estava na sua infância - apenas 500 milhões de anos após o Big Bang, ou cerca de 3% da sua idade atual -, algumas das primeiras estrelas e galáxias já se tinham formado. Há muito que os astrónomos previam que grande parte do gás que rodeava estas jovens galáxias devia ter permanecido bastante puro, composto principalmente por hidrogénio e hélio, os ingredientes primordiais disponíveis no cosmos recém-nascido.

De acordo com um estudo publicado por astrónomos da Universidade do Arizona na revista Nature Astronomy, este quadro provavelmente não está correto. Em vez disso, as galáxias já estavam a espalhar elementos pesados, como o oxigénio e o carbono, pelo cosmos muito mais cedo do que os astrónomos esperavam.

"Observámos que os elementos pesados escaparam das galáxias muito, muito cedo no tempo cósmico", afirmou Yongda Zhu, primeiro autor do artigo científico e investigador pós-doc no Departamento de Astronomia e no Observatório Steward da Universidade do Arizona. "As galáxias não só estavam a produzir estes elementos, como também os estavam a dispersar, possivelmente semeando outras galáxias".

Como o Universo obteve os seus elementos

No início do Universo, o cosmos quase não continha nada além de hidrogénio e hélio, os dois elementos mais simples que ocupam o topo da tabela periódica. Com o tempo, a gravidade atraiu nuvens destes elementos simples, formando estrelas, onde as imensas pressões e temperaturas no seu interior permitiram que a fusão nuclear e outras reações criassem elementos mais complexos e pesados, como o carbono e o oxigénio.

Quando as estrelas se esgotavam ou terminavam a sua vida como supernovas, lançavam esses elementos pesados para o espaço, onde se tornavam os blocos de construção para futuras gerações de estrelas, planetas e, em última análise, vida. Até mesmo o carbono nos nossos corpos e o oxigénio que respiramos foram forjados em gerações anteriores de estrelas.

No entanto, até agora, não era claro como e quando os elementos mais pesados eram transportados das primeiras galáxias para o Universo circundante.

Um olhar sobre as primeiras galáxias

A investigação de Zhu centrou-se em três galáxias primitivas cuja luz viajou durante mais de 13 mil milhões de anos, mostrando-as tal como eram cerca de 500 milhões de anos após o Big Bang, durante um período cósmico conhecido como Época da Reionização. Naquela altura, as primeiras gerações de estrelas e galáxias estavam a transformar o Universo primitivo ao ionizar o gás hidrogénio entre elas. Este processo, durante o qual os eletrões foram separados dos seus núcleos de hidrogénio, pôs gradualmente fim à "idade das trevas" cósmica, permitindo que a luz ultravioleta viajasse mais livremente pelo Universo.

"Utilizámos as próprias galáxias como fontes de luz de fundo", afirmou Zhu. "À medida que a luz das galáxias viajava em direção à Terra, atravessava o gás circundante, e conseguimos analisar os padrões de absorção da luz para detetar elementos específicos".

As observações destas galáxias antigas só foram possíveis graças às capacidades infravermelhas do Telescópio Espacial James Webb, que permitiu aos investigadores observar as galáxias tal como se apresentavam há cerca de 13 mil milhões de anos. As quase 30 horas de exposição proporcionaram luz suficiente para detetar ténues padrões de absorção nos espetros destas galáxias distantes.

Ao longo de uma noite, Zhu analisou manualmente os espetros do Webb disponíveis ao público, provenientes de centenas de galáxias, e identificou três com padrões de absorção que indicavam a presença de elementos pesados, incluindo carbono, oxigénio e silício. As linhas de absorção apresentavam um "desvio para o azul" em relação ao desvio para o vermelho das galáxias, indicando que o gás se deslocava para fora das galáxias, transportando oxigénio, carbono e outros elementos pesados para o espaço intergaláctico.

As "impressões digitais" químicas destas galáxias jovens assemelhavam-se muito às das galáxias evoluídas milhares de milhões de anos mais tarde, fornecendo evidências de que, mesmo no amanhecer cósmico, as galáxias já estavam a produzir e a espalhar elementos pesados pelo espaço à sua volta.

"Pensemos nestes elementos, que tiveram origem nas estrelas das galáxias, como corante alimentar deitado num copo de água", disse Zhu. "A cor começa a espalhar-se pela água e, de forma semelhante, estes elementos pesados das galáxias primitivas começaram a escapar para o espaço e a 'enriquecer' o que as rodeava".

Ciclo dos bariões

O processo através do qual as galáxias trocam matéria é conhecido como ciclo dos bariões. É uma das razões pelas quais as galáxias não são sistemas isolados, mas sim partes interligadas de um ecossistema galáctico mais vasto. A matéria produzida por uma geração de estrelas pode ser reciclada e redistribuída através deste ecossistema galáctico.

A descoberta do ciclo de bariões primitivo pode também ajudar a explicar por que razão os astrónomos têm tido dificuldade em encontrar a primeira geração de estrelas, conhecidas como estrelas da População III. Pensa-se que estas estrelas tenham sido as primeiras a formar-se a partir de gás primitivo contendo apenas hidrogénio e hélio, antes de os elementos mais pesados terem sido produzidos e dispersos pelo Universo. Se as galáxias já estavam a enriquecer os seus arredores apenas 500 milhões de anos após o Big Bang, o gás verdadeiramente pristino - e as estrelas da População III que se formaram a partir dele - podem simplesmente não ter existido durante tempo suficiente para serem observadas.

"Se começarmos com gelado de baunilha puro, mas misturarmos granulado pouco depois, não demorará muito até que já não seja possível encontrar gelado de baunilha puro e simples", afirmou Zhu.

// Universidade do Arizona (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature Astronomy)

Quer saber mais?

Universo:
A expansão acelerada do Universo (Wikipedia)
Universo (Wikipedia)
Idade do Universo (Wikipedia)
Época da Reionização (Wikipedia)
Estrutura a grande-escala do Universo (Wikipedia)
Big Bang (Wikipedia)
Cronologia do Big Bang (Wikipedia)
Modelo Lambda-CDM (Wikipedia)

Estrelas da População III:
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