Quando o Universo estava cego: a longa noite antes das primeiras estrelas

O que é a idade das trevas do Universo?

Um período de escuridão cósmica

Após o Big Bang (modelo cosmológico que descreve a origem do Universo a partir de um estado extremamente quente e denso), o Universo atravessou um período extraordinário conhecido como a idade das trevas. Esta era estende-se aproximadamente entre 380 000 anos e 400 milhões de anos após o Big Bang, ou seja, entre cerca de 13,8 mil milhões e 13,4 mil milhões de anos antes de hoje. Durante esta longa noite cósmica, ainda não existiam estrelas, galáxias ou fontes de luz visível. O Universo estava mergulhado numa escuridão quase total, povoado apenas por um vasto nevoeiro de hidrogénio e hélio neutros.

Um desafio para a cosmologia moderna

O termo "trevas" não se refere apenas à ausência de luz visível: também reflete a opacidade desta época aos nossos instrumentos de observação. Compreender o que aconteceu durante estes 400 milhões de anos constitui um dos maiores desafios da cosmologia moderna. Que testemunhas deixou este período? Como conseguem os astrofísicos sondar esta escuridão primordial?

O contexto: da recombinação ao silêncio estelar

A recombinação: um ponto de viragem cósmico

Cerca de 380 000 anos após o Big Bang ocorreu um evento fundador: a recombinação (processo pelo qual os protões e os eletrões se combinaram para formar os primeiros átomos neutros de hidrogénio). Até então, o Universo era tão quente e denso que a matéria existia na forma de plasma: os eletrões e os protões moviam-se livremente, tornando o espaço opaco aos fotões. Quando a temperatura caiu abaixo dos 3 000 kelvins, os eletrões foram capturados pelos protões para formar átomos neutros de hidrogénio. O Universo tornou-se subitamente transparente, e os fotões puderam propagar-se livremente pelo espaço.

A radiação cósmica de fundo: uma memória fóssil

Esta radiação libertada durante a recombinação é hoje detetável sob o nome de fundo cósmico de micro-ondas (radiação eletromagnética residual do Big Bang, observável nas micro-ondas a uma temperatura de 2,725 K). O seu mapeamento pelos satélites COBE (1992), WMAP (2001-2010) e sobretudo Planck (2009-2013) permitiu reconstituir com notável precisão o estado do Universo nesta época primordial. Mas após este instante de claridade inicial, o Universo mergulhou no silêncio e na escuridão.

Um Universo sem estrelas: a física da idade das trevas

O lento crescimento das estruturas

Após a recombinação, a matéria bariónica (hidrogénio e hélio neutros) começou a agrupar-se sob o efeito da gravidade nas ínfimas sobredensidades reveladas pelo CMB. Estas flutuações de densidade, da ordem de \(10^{-5}\) em relação à densidade média, constituíam os germes das futuras estruturas cósmicas: filamentos, aglomerados e galáxias.

A espera da fusão nuclear

No entanto, este processo de condensação gravitacional era extremamente lento. Foram necessárias várias centenas de milhões de anos para que estas nuvens de gás atingissem uma densidade e temperatura suficientes para iniciar a fusão nuclear (reação nuclear pela qual núcleos leves se fundem para formar núcleos mais pesados libertando energia) e dar origem às primeiras estrelas. Durante todo este tempo, o Universo permaneceu mergulhado na escuridão.

Os parâmetros chave do período

A física deste período é governada por alguns parâmetros chave. A temperatura do gás cósmico diminuía segundo a relação \(T \propto (1+z)\), onde \(z\) designa o redshift (desvio para o vermelho de um espetro luminoso devido à expansão do Universo, utilizado como medida de distância e tempo cósmico) cosmológico. Paralelamente, a matéria escura (matéria que não emite nem absorve luz mas cuja presença é detetada pelos seus efeitos gravitacionais) desempenhava um papel estruturante essencial: os seus halos gravitacionais forneciam os poços de potencial nos quais a matéria bariónica iria colapsar para formar as primeiras estruturas.

As primeiras estrelas: o fim das trevas

As estrelas de população III

As primeiras estrelas, chamadas estrelas de população III, formaram-se entre 100 e 200 milhões de anos após o Big Bang, marcando o início do fim da idade das trevas. A sua radiação ultravioleta começou gradualmente a ionizar o hidrogénio neutro circundante, iniciando a reionização que se estendeu até cerca de 1 mil milhões de anos após o Big Bang. Estes astros primordiais eram provavelmente muito massivos, da ordem de 100 a 1 000 massas solares, porque a ausência de metais (elementos mais pesados que o hélio) no gás primordial impedia o arrefecimento eficiente necessário à formação de estrelas de baixa massa.

Os modelos teóricos da primeira geração estelar

Os trabalhos teóricos de Volker Bromm (nascido em 1972) e Richard Larson (1937-2024) contribuíram largamente para modelar a formação destas primeiras estrelas nos halos de matéria escura. Estas estrelas emitiram intensas radiações ultravioleta capazes de ionizar o hidrogénio neutro circundante, desencadeando um processo fundamental: a reionização (processo cosmológico pelo qual a radiação das primeiras estrelas e galáxias reionizou o hidrogénio neutro do Universo).

A reionização: o fim oficial da idade das trevas

A reionização constitui oficialmente o fim da idade das trevas. Ocorreu progressivamente entre cerca de 150 milhões de anos e 1 mil milhões de anos após o Big Bang. As bolhas de hidrogénio ionizado em torno das primeiras fontes luminosas cresceram e fundiram-se até que todo o Universo fosse reionizado, tornando-se novamente transparente aos fotões ultravioleta.

As testemunhas do Universo invisível

O sinal de 21 cm do hidrogénio neutro

Como sondar uma época que é por definição escura? Os astrofísicos dispõem de vários traçadores indiretos que constituem outras tantas janelas para a idade das trevas.

O primeiro e mais direto é o sinal de 21 cm (sinal de rádio de 21 cm emitido pelo hidrogénio neutro durante a inversão do spin do seu eletrão) do hidrogénio neutro. Quando o eletrão de um átomo de hidrogénio inverte o seu spin em relação ao protão, emite um fotão de comprimento de onda de 21 centímetros. Este sinal, desviado para o vermelho pela expansão cósmica, poderia em princípio revelar a distribuição do hidrogénio neutro durante a idade das trevas. Instrumentos como o radiotelescópio HERA (Hydrogen Epoch of Reionization Array) e o futuro SKA (Square Kilometre Array) são especificamente concebidos para detetar este sinal.

Os surtos de raios gama: faróis cósmicos

A segunda janela é fornecida pelos surtos de raios gama distantes (surtos luminosos extremamente intensos e breves provenientes de galáxias distantes, associados ao colapso de estrelas massivas) (GRBs, Gamma-Ray Bursts). Alguns destes eventos, detetados a redshifts superiores a 6, permitem sondar a composição e o estado de ionização do gás intergaláctico atravessado pela sua luz. Atuam como faróis cósmicos iluminando brevemente a idade das trevas.

O telescópio James Webb: uma janela direta

Finalmente, o telescópio espacial James Webb, operacional desde 2022, abriu uma terceira via ao detetar diretamente algumas das galáxias mais antigas alguma vez observadas, algumas formadas menos de 300 milhões de anos após o Big Bang. Estas observações diretas permitem restringir os modelos de formação das primeiras estruturas e da reionização com uma precisão sem precedentes.

Cronologia da idade das trevas e da reionização

Esta tabela resume as principais etapas da evolução cósmica desde a recombinação até ao fim da reionização, com os redshifts associados, os eventos chave, as testemunhas observáveis e os instrumentos utilizados para sondar este período.

N.B.:
Os valores de redshift indicados são estimativas dos modelos cosmológicos padrão (\(\Lambda\)CDM). As incertezas continuam significativas para as primeiras centenas de milhões de anos, e as observações diretas nestes redshifts extremos permanecem na fronteira das capacidades instrumentais atuais. A correspondência entre idade e redshift depende dos parâmetros cosmológicos adotados, nomeadamente a constante de Hubble \(H_0\). Por volta de z ~ 100, a radiação fóssil, ao deslocar-se para o infravermelho e depois micro-ondas, sai do domínio visível: o Universo entra então numa escuridão total que durará até ao acendimento das primeiras estrelas.

A matéria escura: arquiteto invisível da idade das trevas

Um período de organização silenciosa

Embora a idade das trevas esteja, por definição, desprovida de luz visível, não foi por isso um período de inatividade cósmica. A matéria escura, que representa cerca de 27 % da densidade-energia do Universo, continuava a organizar silenciosamente a estrutura cósmica.

O crescimento hierárquico dos halos

Segundo o modelo hierárquico de formação de estruturas, pequenos halos de matéria escura formaram-se primeiro, e depois fundiram-se progressivamente para constituir estruturas cada vez mais massivas. Este processo denominado crescimento hierárquico (formação das grandes estruturas cósmicas por acreção e fusão sucessiva de halos de matéria escura, dos mais pequenos para os maiores) foi completamente impulsionado pela gravidade, sem qualquer emissão luminosa.

As simulações cosmológicas

As simulações cosmológicas em grande escala, como o projeto Millennium Simulation liderado por Volker Springel (nascido em 1970) e seus colaboradores, ou o projeto IllustrisTNG, mostram que os filamentos e os nós da rede cósmica (rede de filamentos de matéria escura e gás que liga os aglomerados de galáxias à escala do Universo observável) já se estavam a organizar durante a idade das trevas. Estas estruturas formam o esqueleto invisível sobre o qual se edificaría, muito mais tarde, a vasta rede de galáxias que observamos hoje.

O sinal de 21 cm: a próxima fronteira da observação

O desafio observacional do sinal de 21 cm

A deteção direta do sinal de 21 cm do hidrogénio neutro representa hoje o desafio observacional mais ambicioso da cosmologia. Em 2018, a colaboração EDGES (Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature) anunciou a deteção de um sinal de 21 cm com uma amplitude duas vezes superior às previsões teóricas, centrado em torno de 78 MHz, correspondendo a um redshift \(z \approx 17\), ou seja, cerca de 180 milhões de anos após o Big Bang.

A controvérsia EDGES

Esta anomalia suscitou uma viva controvérsia no seio da comunidade científica. Alguns teóricos, entre os quais Rennan Barkana (nascido em 1972), propuseram que este excesso poderia trair uma interação entre a matéria escura e os bariões, o que constituiria uma primeira assinatura observacional direta da matéria escura. Outros investigadores atribuíram a anomalia a efeitos instrumentais ou a primeiros planos galácticos mal subtraídos. A questão permanece em aberto e é objeto de um intenso trabalho experimental e teórico.

O futuro Square Kilometre Array

Seja qual for o resultado deste debate, a cartografia tridimensional do hidrogénio neutro durante a idade das trevas representa um objetivo científico de primeira linha para as próximas décadas. O futuro Square Kilometre Array (SKA), cujas primeiras observações científicas são esperadas por volta de 2030, está concebido para enfrentar este desafio.

A idade das trevas no contexto da história cósmica

Uma perspetiva temporal

A idade das trevas inscreve-se numa cronologia cósmica que permite medir o seu lugar na história do Universo. Se comprimirmos os 13,8 mil milhões de anos do Universo num único ano civil, a idade das trevas estende-se de 1 de janeiro até aos primeiros dias de fevereiro. O Sol e o sistema solar só aparecem em setembro, e a humanidade surge nos últimos segundos de 31 de dezembro. Esta perspetiva sublinha como a idade das trevas constitui um capítulo fundamental da história cósmica.

O efeito Gunn-Peterson: uma confirmação observacional

James Gunn (nascido em 1938) e Bruce Peterson (nascido em 1942) previram já em 1965 que o espetro dos quasares distantes deveria apresentar uma absorção completa no ultravioleta se o hidrogénio intergaláctico fosse neutro: é o que se chama o efeito Gunn-Peterson. A sua deteção em 2001 por Robert Becker e seus colaboradores nos dados do Sloan Digital Sky Survey, em quasares a \(z \approx 6,3\), trouxe a confirmação observacional direta de que a reionização estava concluída nessa época.

Para uma cosmologia da idade das trevas

As questões fundamentais

A compreensão da idade das trevas é indissociável da compreensão da natureza da matéria escura e da energia escura, os dois componentes dominantes do Universo. Como se formaram os halos de matéria escura? Qual é a massa mínima das primeiras estrelas? Qual foi a cronologia precisa da reionização? Estas questões permanecem parcialmente em aberto e constituem eixos de investigação ativos.

As surpresas do telescópio James Webb

Longe de encerrar o debate, o telescópio espacial James Webb reabriu a questão da idade das trevas: ao detetar galáxias demasiado brilhantes, demasiado cedo, sugere que o amanhecer cósmico foi mais precoce e mais tumultuoso do que os nossos modelos haviam antecipado.