A maior simulação já feita da Época da Reionização acompanhou a luz de Lyman‑alfa de 44.700 galáxias e constatou que a visibilidade das primeiras galáxias depende da época, do brilho e, sobretudo, da sorte de cada linha de visada.

O estudo foi publicado em março de 2022 no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society por Aaron Smith, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), com Rahul Kannan e Lars Hernquist, do Centro de Astrofísica Harvard‑Smithsonian, Enrico Garaldi, Rüdiger Pakmor e Volker Springel, do Instituto Max Planck de Astrofísica em Garching, e Mark Vogelsberger, também do MIT.

O artigo representa o capítulo dedicado à luz de Lyman‑alfa dentro do projeto THESAN, uma das maiores simulações já realizadas da Época da Reionização, e responde a uma pergunta que atormenta observadores há duas décadas: ao apontar um telescópio para uma galáxia dos primeiros 900 milhões de anos, que fração da sua luz de hidrogênio sobrevive à travessia até nós e de que depende essa sobrevivência?

Para entender o problema, vale recuar no tempo. Cerca de 380 mil anos após o Big Bang, o Universo esfriou o suficiente para que prótons e elétrons se combinassem em átomos neutros, permitindo que a radiação cósmica de fundo viajasse livremente. Seguiram‑se as eras escuras, sem estrelas acesas. Quando as primeiras galáxias surgiram, suas estrelas jovens e quentes começaram a ionizar o hidrogênio ao redor, criando bolhas de gás ionizado que cresceram, se fundiram e, ao final, engoliram todo o cosmos. Esse processo, conhecido como reionização, constitui a última grande transição de fase do meio intergaláctico.

As evidências indicam que a reionização terminou tarde e rapidamente, com a maior parte do gás ionizado ocorrendo entre o redshift 7 e 8. O redshift funciona como relógio cósmico: z = 7 corresponde a um Universo de aproximadamente 770 milhões de anos, enquanto z = 8 equivale a cerca de 650 milhões de anos.

Várias pistas independentes sustentam essa cronologia. A missão Planck mediu uma profundidade óptica baixa para o espalhamento dos fótons da radiação de fundo pelos elétrons livres, limitando a quantidade de gás ionizado nas eras mais remotas. Quasares extremamente distantes exibem em seus espectros a marca do hidrogênio neutro, conhecida como damping wing, uma absorção larga e assimétrica produzida quando o gás absorvedor é abundante. A transmissão da floresta de Lyman‑alfa flutua de uma região do céu para outra mais do que um Universo uniformemente ionizado permitiria. Além disso, a fração de galáxias que apresentam emissão forte de Lyman‑alfa (as chamadas LAEs) despenca a partir de z ≈ 6, como se um véu se fechasse ao olharmos para trás no tempo.

O véu tem origem na própria natureza da linha. O fóton de Lyman‑alfa, com comprimento de onda de 121,6 nm, corresponde à transição mais provável do hidrogênio; um átomo neutro que o encontre na frequência exata tem probabilidade altíssima de absorvê‑lo e reemití‑lo em direção aleatória. Como demonstraram James Gunn e Bruce Peterson em 1965, basta uma fração minúscula de hidrogênio neutro espalhada pelo meio intergaláctico para tornar o espaço opaco a essa cor. Contudo, há uma assimetria salvadora: a expansão do Universo estica continuamente o comprimento de onda de qualquer fóton em viagem. Luz emitida ligeiramente para o lado vermelho do centro da linha afasta‑se da ressonância conforme viaja e nunca mais volta a ser absorvida; luz emitida do lado azul, ao contrário, é empurrada para dentro da ressonância e desaparece.

Consequentemente, os observadores veem apenas o pico vermelho das LAEs distantes. Para que esse pico vermelho sobreviva, a galáxia precisa estar dentro de uma bolha ionizada com raio físico entre 0,1 e 1 megaparsec, distância suficiente para que a expansão retire o fóton da zona perigosa antes que ele alcance o gás neutro. Mesmo fora da ressonância, a asa de amortecimento continua atuando com força decrescente, gerando um panorama de visibilidades que depende da época, do tamanho das bolhas, da massa da galáxia, da velocidade do gás em queda e até da direção de observação.

Estudos numéricos anteriores já haviam detectado essa variação de galáxia para galáxia e de linha de visada para linha de visada, porém em volumes pequenos demais para distinguir o que é regra do que é exceção. Essa lacuna foi exatamente o que o THESAN foi projetado para preencher.

A simulação principal, denominada THESAN‑1, acompanha um cubo de 95,5 megaparsecs cúbicos (comóvel) de lado – pouco mais de 310 milhões de anos‑luz – desde o início até redshift ≈ 5,5. Dentro dele há 2.100³ partículas de matéria escura e o mesmo número de células de gás, totalizando cerca de 9,3 bilhões de cada tipo, com massas individuais de 3,1 milhões e 580 mil massas solares, respectivamente. O código AREPO resolve a hidrodinâmica sobre uma malha móvel de Voronoi, uma rede de células que se deforma conforme a matéria evolui.

Não é a primeira vez que o portal aborda descobertas que dependem da luz de Lyman‑alfa; já analisamos, por exemplo, os vestígios vítreos detectados pelo James Webb, que também revelam como processos cósmicos extremos deixam marcas espectrais observáveis.

Com informacoes de Space Today.