Assim, em outubro de 2025, a equipa de Hakim Atek (Instituto de Astrofísica de Paris) confirmou, através do telescópio espacial James Webb, a deteção de MoM-z14, uma galáxia avistada apenas 280 milhões de anos após o Big Bang. “É o mais distante já confirmado graças à análise muito detalhada de sua luz “, observa o pesquisador. Um feito técnico, mas acima de tudo um enigma: numa época em que o Universo tinha apenas 1,4% da sua idade atual, este pequeno ponto de luz já parece surpreendentemente brilhante, rico em átomos “pesados” como oxigênio, nitrogênio, carbono, como se gerações de estrelas tivessem tido tempo de nascer e morrer ali.
Embora as primeiras estrelas ainda não tenham sido observadas, o seu esboço é conhecido por ser muito simples. “Eles foram formados a partir de um gás primordial do Big Bang, composto apenas de hidrogênio e hélio, explica Nicolas Laporte, astrofísico do Laboratório de Astrofísica de Marselha. Estas primeiras nuvens colapsaram sob a sua própria gravidade, sem nada que as retardasse. A matéria, portanto, acumulou-se em massas colossais, 500 a 1.000 vezes a do Sol, antes do início da fusão nuclear. “Uma vez “acesas”, estima-se que estas primeiras estrelas possam atingir 100.000°C na superfície, e cada uma brilhará como 10 mil milhões de sóis!
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As primeiras estrelas tiveram uma existência deslumbrante
Mas estas estrelas pagaram pelas suas características extraordinárias ao preço de uma existência deslumbrante. “Eles viveram apenas entre dois e três milhões de anos “, estima Nicolas Laporte a partir de simulações numéricas. Realmente curto em comparação com os 10 bilhões de anos de expectativa de vida do nosso “pequeno” Sol. Na verdade, quanto mais massiva é uma estrela, mais rapidamente seu núcleo atinge temperaturas extremas e mais eficiente é a fusão nuclear da qual extrai sua energia. Esses gigantes, portanto, queimaram seu hidrogênio em um ritmo frenético, antes de explodirem em supernovas titânicas, dispersando os primeiros elementos pesados – carbono, oxigênio, nitrogênio – dos quais serão as gerações seguintes de estrelas. Se as primeiras estrelas parecem estar ao alcance de James Webb, a sua observação permanece extremamente difícil, devido à sua curta vida.
Por outro lado, as gerações subsequentes de estrelas abundam no Universo primitivo. Quase demais, na verdade. “Encontramos muito mais galáxias brilhantes do que o esperado em épocas muito remotas, observa Hakim Atek. E isto representa um problema para os modelos atuais de formação de galáxias. “Assim, o amanhecer do cosmos parece mais um tremendo espetáculo de fogos de artifício de estrelas do que um lento aumento de velocidade. Em apenas algumas centenas de milhões de anos, o Universo foi povoado por estrelas massivas e galáxias já estruturadas.
Para tentar explicar estas galáxias primitivas, os investigadores estão a ajustar os seus modelos de formação estelar. “Podemos aumentar a eficiência da formação estelar, ou seja, a fracção de gás transformada em estrelas, mas isto tem consequências noutros lugares, sublinha Hakim Atek. Se formarmos muitas estrelas muito cedo, acabaremos com muitas galáxias massivas mais tarde na história do cosmos, em comparação com o que realmente observamos. Portanto, esses ajustes devem ser feitos com cautela. “
Outra surpresa: a presença, nestas galáxias jovens, de buracos negros supermassivos já bem estabelecidos. No cenário clássico, um buraco negro nasce do colapso de uma estrela massiva no final da sua vida. São então necessários milhares de milhões de anos para que tal estrela, ao engolir matéria ou fundir-se com outras, alcance as massas colossais – de vários milhões a vários milhares de milhões de sóis – características daquelas que povoam os corações das galáxias.
No entanto, as observações de James Webb alteram esta cronologia: apenas 600 ou 700 milhões de anos após o Big Bang, já estamos a descobrir buracos negros com vários milhões de massas solares nos centros de pequenas galáxias. “Antes do James Webb, eles eram considerados extremamente raros naqueles tempos antigos, lembra Nicolas Laporte. Contudo, entre 20 e 30% das galáxias dos primeiros mil milhões de anos do Universo já albergavam um buraco negro central. Não temos nenhum cenário satisfatório para explicar tais formações iniciais. “
O problema torna-se ainda mais complicado com a deteção, em 2024, de um destes buracos negros massivos, Abell 2744-QSO1, rodeado por gás desprovido de átomos pesados de estrelas anteriores. “Para criar um buraco negro, uma estrela deve primeiro ter vivido e explodido, por isso deve ter produzido átomos como carbono, oxigênio, nitrogênio. Se não houver nenhum por perto, é estranho, sublinha Hakim Atek. Uma hipótese, ainda especulativa, seria a de que se trata de um buraco negro primordial. “
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Uma nova linha do tempo do surgimento da luz
Esses buracos negros primordiais são pelo menos tão míticos quanto a primeira geração de estrelas para os astrofísicos. A ideia não é nova: certos modelos cosmológicos prevêem que, mesmo no início do Universo, quando as densidades de energia e matéria do plasma primordial flutuavam violentamente sob o efeito da inflação cósmica, certas regiões poderiam ter colapsado sobre si mesmas para formar directamente um buraco negro. Estes objetos teriam, portanto, nascido bem antes das estrelas. Mas a sua existência permanece hipotética.
Primeiro porque nascem a priori minúsculos, e seu pequeno tamanho os expõe à evaporação, de acordo com uma teoria apresentada por Stephen Hawking em 1974… No entanto, os cenários prevêem que eles poderiam rapidamente acumular gás em grandes quantidades. Não só não evaporariam, mas também poderiam crescer e formar buracos negros supermassivos. “Este é um resultado que ainda é debatido, acredita Nicolas Laporte. Até agora, só vimos um desses objetos – teremos que encontrar mais para ter certeza.”
Estas descobertas não só perturbam a cronologia da formação das galáxias: também reescrevem a da própria luz. Porque quando as primeiras estrelas acendem, o Universo ainda não é transparente. Desde o Big Bang, tem sido banhado por uma névoa de hidrogénio neutro, um verdadeiro “puré de ervilha” que preenche tudo. Para que a luz circulasse livremente, esse gás precisava ser dissipado. Sob o efeito da radiação energética das primeiras estrelas, os átomos de hidrogénio perderam os seus electrões e deixaram de bloquear os fotões…
Isto é o que os astrofísicos chamam de reionização, um processo que se diz ter começado cerca de 500 milhões de anos após o Big Bang. Finalmente… Isto é o que acreditávamos até agora, com base no estudo da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, radiação emitida apenas 380.000 anos após o Big Bang e que, portanto, necessariamente também passou por esta névoa. Mas o James Webb revela agora que esta grande limpeza cósmica começou muito antes, talvez apenas 300 milhões de anos após o Big Bang. “As nossas observações sobre a reionização discordam daquelas feitas no contexto difuso. Há uma tensão aí que teremos de compreender “, observa Hakim Atek.
Primeira observação: este processo de reionização não foi uniforme. Começou em torno das fontes mais brilhantes, criando áreas que já estavam totalmente ionizadas. “Vemos estas regiões ionizadas aparecerem muito cedo, uma espécie de bolhas em torno das galáxias mais luminosas, explica Hakim Atek. À medida que as galáxias se multiplicavam, estas bolhas aumentavam e depois juntavam-se, até apagarem quase completamente o hidrogénio neutro do meio intergaláctico. ”
Novos instrumentos para voltar no tempo
A precocidade do processo poderia ser explicada por outra população de galáxias menos espetaculares, mas muito numerosas: as chamadas galáxias fracas, porque são pobres tanto em massa como em brilho. Existem milhares deles para uma única galáxia brilhante, e a sua luz cumulativa poderia ter desempenhado um papel muito mais importante do que imaginávamos no levantamento do nevoeiro primitivo. “Estamos finalmente começando a medir seu poder ionizante, explica Hakim Atek. E descobrimos que é muito elevado – o suficiente para reionizar o Universo muito cedo. “
Para aprofundar ainda mais a idade das trevas do Universo, outros instrumentos virão em breve para apoiar o James Webb. O primeiro deles será o ELT, o telescópio gigante de 40 metros em construção no Chile. Graças ao seu espelho colossal, será capaz de explorar um campo 12 ou 13 vezes maior que o James Webb, que só consegue ver de uma só vez uma área 177 vezes menor que a Lua cheia! No entanto, quanto mais observarmos, maiores serão as chances de encontrar as primeiras estrelas fugazes.
O segundo instrumento decisivo será o New Athena, o futuro observatório europeu de raios X em órbita. “Com ela, detectaremos raios X a distâncias muito grandes emitidos por buracos negros. Quando a missão foi projetada, não sabíamos que existiam tantos buracos negros no início do Universo. Lá, esperamos que o Universo distante literalmente brilhe! “, entusiasma-se Nicolas Laporte. Esses dois gigantes – o ELT esperado para 2030 e o New Athena planejado para 2035 – examinarão o céu ao lado do James Webb, na esperança de finalmente ver o amanhecer do cosmos.
O primeiro instantâneo do Universo
A primeira luz “real” é ela. Emitido 380 mil anos após o Big Bang, corresponde ao momento em que os fótons se libertaram da densa névoa de hidrogênio e elétrons para girar em linha reta. Este “fundo cosmológico” é como uma fotografia deste momento que ainda podemos ver, mesmo que tenha esfriado consideravelmente desde então. Aparece aqui em cores falsas, e as suas pequenas variações de temperatura refletem as primeiras densidades excessivas do cosmos. Estas são as sementes a partir das quais, centenas de milhões de anos depois, se formarão as primeiras estrelas e depois as galáxias. O fundo difuso continua assim a ser um dos pilares da cosmologia: ao examiná-lo, os astrofísicos medem a idade, a composição, a geometria do Universo…
Crédito: ESA E A COLABORAÇÃO PLANCK