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Este mapa de todo o céu mostra a localização de 739 blazars usados na medição da luz de fundo extragaláctica (EBL) do Telescópio Espacial de Fermi. O fundo mostra o céu como aparece em raios gama com energias acima de 10 bilhões de elétron-volts, construídas a partir de nove anos de observações do Telescópio de Área Grande de Fermi. O plano da nossa galáxia Via Láctea corre ao longo do meio da trama.
Crédito: NASA / DOE / Fermi LAT Colaboração
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Os astrofísicos acreditam que nosso universo, que tem cerca de 13,7 bilhões de anos, começou a formar as primeiras estrelas quando tinha algumas centenas de milhões de anos. Desde então, o universo se tornou um tour de force. Existem agora cerca de dois trilhões de galáxias e um trilhão de trilhões de estrelas. Usando novos métodos de medição de luz das estrelas, o astrofísico Marco Ajello da Clemson College of Science e sua equipe analisaram dados do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA para determinar a história da formação de estrelas durante a maior parte do tempo de vida do universo.
Um artigo colaborativo intitulado "Uma determinação de raios gama da história da formação de estrelas do Universo" foi publicado em 30 de novembro na revista Science e descreve os resultados e as ramificações do novo processo de medição da equipe.
"A partir dos dados coletados pelo telescópio Fermi, pudemos medir a quantidade total de luz das estrelas já emitida. Isso nunca foi feito antes", disse Ajello, que é o principal autor do estudo. "A maior parte dessa luz é emitida por estrelas que vivem em galáxias. E assim, isso nos permitiu entender melhor o processo de evolução estelar e obter uma visão cativante de como o universo produziu 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 fótons (partículas de luz visível) que escaparam para o espaço depois de serem emitidos por estrelas se traduz em 4x10^84.
Ou 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 de fótons.
Apesar deste número estupendamente grande, é interessante notar que com a exceção da luz que vem do nosso próprio sol e galáxia, o resto da luz das estrelas que chega à Terra é extremamente fraca - equivalente a uma lâmpada de 60 watts vista em escuridão completa de cerca de 2,5 quilômetros de distância. Isso porque o universo é quase incompreensivelmente grande. É também por isso que o céu é escuro à noite, além da luz da lua, das estrelas visíveis e do brilho fraco da Via Láctea.
O Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi foi lançado em órbita baixa em 11 de junho de 2008 e recentemente marcou seu aniversário de 10 anos. É um poderoso observatório que forneceu enormes quantidades de dados sobre raios gama (a forma mais energética de luz) e sua interação com a luz de fundo extragaláctica (LEG), que é uma névoa cósmica composta de toda a luz ultravioleta, visível e infravermelha. emitidos por estrelas ou de poeira em suas proximidades. Ajello e o colega de pós-doutorado Vaidehi Paliya analisaram quase nove anos de dados referentes a sinais de raios gama de 739 blazares.
Blazares são galáxias contendo buracos negros supermassivos que são capazes de liberar jatos estreitamente colimados de partículas energéticas que saltam de suas galáxias e cruzam o cosmos quase à velocidade da luz. Quando um desses jatos passa a ser apontado diretamente para a Terra, ele é detectável mesmo quando se origina de muito longe. Os fótons de raios gama produzidos dentro dos jatos acabam colidindo com o nevoeiro cósmico, deixando uma impressão observável. Isso permitiu que a equipe de Ajello medisse a densidade do nevoeiro não apenas em um determinado local, mas também em um dado momento da história do universo.
"Os fótons de raios gama viajando através de uma névoa de luz estelar têm uma grande probabilidade de serem absorvidos", disse Ajello, professor assistente do departamento de física e astronomia. "Medindo quantos fótons foram absorvidos, pudemos medir a espessura do nevoeiro e também medir, em função do tempo, quanta luz havia em toda a faixa de comprimentos de onda".
Usando pesquisas de galáxias, a história da formação de estrelas do universo tem sido estudada por décadas. Mas um obstáculo enfrentado por pesquisas anteriores era que algumas galáxias estavam muito distantes, ou muito fracas, para qualquer telescópio atual detectar. Isso obrigou os cientistas a estimar a luz das estrelas produzida por essas galáxias distantes, em vez de registrá-la diretamente.
A equipe de Ajello conseguiu contornar isso usando os dados do Telescópio de Grande Área do Fermi para analisar a luz de fundo extragaláctica. A luz das estrelas que escapa das galáxias, incluindo as mais distantes, acaba por se tornar parte da LEG. Portanto, medições precisas dessa névoa cósmica, que só recentemente foram possíveis, eliminaram a necessidade de estimar as emissões de luz de galáxias ultra-distantes.
Paliya realizou a análise de raios gama de todos os 739 blazares, cujos buracos negros são milhões a bilhões de vezes mais massivos que o nosso sol.
"Usando blazares a diferentes distâncias de nós, medimos a luz das estrelas em diferentes períodos de tempo", disse Paliya, do departamento de física e astronomia. "Medimos a luz estelar total de cada época - um bilhão de anos atrás, dois bilhões de anos atrás, seis bilhões de anos atrás, etc. - até o momento em que as estrelas foram formadas. Isso nos permitiu reconstruir a LEG (Luz Extra Galática) e determinar a história da formação de estrelas do universo de uma maneira mais eficaz do que havia sido alcançado antes. "
Quando raios gama de alta energia colidem com a luz visível de baixa energia, eles se transformam em pares de elétrons e pósitrons. De acordo com a NASA, a capacidade do Fermi de detectar raios gama através de uma ampla gama de energias torna-o especialmente adequado para mapear o nevoeiro cósmico. Essas interações de partículas ocorrem sobre imensas distâncias cósmicas, o que permitiu ao grupo de Ajello investigar mais profundamente do que nunca a produtividade de formação estelar do universo.
"Os cientistas tentaram medir a EBL por um longo tempo. No entanto, foregrounds muito brilhantes como a luz zodiacal (que é a luz espalhada pela poeira no sistema solar) tornaram essa medição muito desafiadora", disse Abhishek Desai, co-autor do estudo. assistente de pesquisa no departamento de física e astronomia. "Nossa técnica é insensível a qualquer primeiro plano e, assim, superou essas dificuldades de uma só vez."
A formação de estrelas, que ocorre quando regiões densas de nuvens moleculares colapsam e formam estrelas, atingiu o pico há 11 bilhões de anos. Mas embora o nascimento de novas estrelas tenha diminuído desde então, nunca parou. Por exemplo, cerca de sete novas estrelas são criadas em nossa galáxia Via Láctea a cada ano.
Estabelecer não apenas a LEG atual, mas revelar sua evolução na história cósmica é um grande avanço nesse campo, de acordo com o membro da equipe Dieter Hartmann, professor do departamento de física e astronomia.
"A formação de estrelas é um grande ciclo cósmico e reciclagem de energia, matéria e metais. É o motor do universo", disse Hartmann. "Sem a evolução das estrelas, não teríamos os elementos fundamentais necessários para a existência da vida".
Compreender a formação de estrelas também tem ramificações para outras áreas de estudo astronômico, incluindo pesquisas sobre poeira cósmica, evolução de galáxias e matéria escura. A análise da equipe fornecerá às futuras missões uma diretriz para explorar os primeiros dias de evolução estelar - como o próximo Telescópio Espacial James Webb, que será lançado em 2021 e permitirá aos cientistas caçar a formação de galáxias primordiais.
"Os primeiros bilhões de anos da história do nosso universo são uma época muito interessante que ainda não foi investigada pelos atuais satélites", concluiu Ajello. "Nossa medida nos permite espiar dentro dela. Talvez um dia possamos encontrar uma maneira de olhar todo o caminho de volta ao Big Bang. Esse é o nosso objetivo final."
Fonte: Clemson University.
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