Ao olhar para longe, podemos olhar para trás no tempo. Este fato simples, mas alucinante, permite que os astrônomos observem instantâneos do universo em diferentes momentos, usando-os para juntar a complexa história da evolução cósmica. Com cada novo telescópio que construímos, podemos ver mais e mais cedo a história do universo. O Telescópio Espacial James Webb (JWST) espera espiar todo o caminho de volta para quando as primeiras galáxias estavam se formando.
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A noção de que olhar para fora corresponde a olhar para trás é relativamente jovem. Ele vem da teoria da relatividade especial de Einstein, que afirma - entre outras coisas - que a luz viaja à velocidade da luz e que nada viaja mais rápido do que isso. No dia-a-dia, quase nunca experimentamos as conseqüências desse conceito, porque a velocidade da luz é tão grande (300.000 km / s, ou cerca de um milhão de vezes mais rápida que um avião a jato) que esse “tempo de viagem” dificilmente importa. Se acendermos a luz ou alguém nos enviar um e-mail da Europa, percebemos esses eventos (vemos a lâmpada acender ou receber o e-mail) como instantâneos, porque a luz leva apenas uma pequena fração de segundo para viajar através de uma luz. espaço ou mesmo em torno de toda a Terra. Mas em uma escala astronômica, a finitude da velocidade da luz tem profundas implicações.
O sol está a cerca de 150 milhões de km de distância, o que significa que a luz do sol leva cerca de 8 minutos e 20 segundos para chegar até nós. Quando olhamos para o sol, vemos uma foto com 8 minutos de idade. Nossa galáxia vizinha mais próxima, Andromeda, está a cerca de 2, 5 milhões de anos-luz de distância; quando olhamos para Andrômeda, estamos olhando para ele como era há 2, 5 milhões de anos. Isso pode parecer muito em escalas de tempo humanas, mas é um tempo muito curto no que diz respeito às galáxias; nossa imagem “velha” provavelmente ainda é uma boa representação de como a Andrômeda se parece hoje. No entanto, a vasta vastidão do universo garante que há muitos casos para os quais o tempo de viagem da luz é importante. Se olharmos para uma galáxia a um bilhão de anos-luz de distância, estamos vendo isso há um bilhão de anos, tempo suficiente para uma galáxia mudar significativamente.
Então, quão longe no tempo podemos ver? A resposta a esta pergunta é determinada por três fatores diferentes. Uma é o fato de que o universo tem "apenas" 13, 8 bilhões de anos, então não podemos olhar para trás no tempo para uma época mais remota que o começo do universo, conhecido como o Big Bang. Outra questão - pelo menos se estamos preocupados com objetos astrofísicos, como galáxias - é que precisamos de algo para olhar. O universo primordial era uma sopa escaldante de partículas elementares. Demorou algum tempo para estas partículas arrefecerem e serem coesas em átomos, estrelas e galáxias. Finalmente, mesmo quando esses objetos estavam no lugar, vê-los da Terra muitos bilhões de anos depois requer telescópios extremamente poderosos. O brilho das fontes físicas diminui rapidamente com a distância, e tentar localizar uma galáxia a uma distância de 1 bilhão de anos-luz é tão desafiador quanto tentar localizar os faróis de um carro a cerca de 60.000 milhas de distância. Tentar localizar a mesma galáxia a uma distância de 10 bilhões de anos-luz é 100 vezes mais difícil.
Até agora, este tem sido o fator determinante para limitar a distância até as galáxias mais distantes que podemos ver. Até a década de 1980, todos os nossos telescópios eram baseados no solo, onde a atmosfera da Terra e a poluição luminosa impediam seu desempenho. No entanto, já tínhamos conhecimento de galáxias a mais de 5 bilhões de anos-luz de distância. O lançamento do Telescópio Espacial Hubble em 1990 nos permitiu quebrar esse recorde de distância muitas vezes e, enquanto escrevo isso, a galáxia mais distante conhecida está localizada a incríveis 13, 4 bilhões de anos no passado.
O JWST usará luz infravermelha para estudar todas as fases da história cósmica, desde os primeiros brilhos luminosos após o Big Bang até a formação de sistemas estelares capazes de suportar a vida em planetas como a Terra. (NASA) Isso nos leva a uma das principais questões da astronomia moderna: que propriedades dessas galáxias distantes podemos realmente medir? Enquanto as observações de galáxias próximas mostram suas formas e cores em grande detalhe, muitas vezes a única informação que podemos coletar sobre as galáxias mais distantes é seu brilho geral. Mas olhando para eles com telescópios que são sensíveis a freqüências de luz além da faixa visível, como ultravioleta, rádio e infravermelho, podemos descobrir pistas sobre as populações estelares da galáxia, bem como sobre sua distância de nós.
Ao observar as galáxias em tantas freqüências diferentes quanto possível, podemos criar um espectro, que mostra quão brilhante a galáxia é em cada tipo de luz. Porque o universo está se expandindo, as ondas eletromagnéticas que são detectadas pelos nossos telescópios foram esticadas ao longo do caminho, e acontece que a quantidade de alongamento no espectro é proporcional à distância da galáxia de nós. Essa relação, chamada Lei de Hubble, nos permite medir a distância dessas galáxias. Os espectros também podem revelar outras propriedades, como a quantidade total de massa nas estrelas, a taxa na qual a galáxia está formando estrelas e a idade das populações estelares.
Apenas alguns meses atrás, uma equipe de astrônomos dos EUA e da Europa usou observações do Telescópio Espacial Hubble e do telescópio espacial infravermelho Spitzer para descobrir a galáxia mais distante conhecida até hoje, a GN-z11. Observado apenas 400 milhões de anos após o Big Bang (“quando o universo tinha apenas 3% de sua idade atual”, segundo o investigador principal Pascal Oesch), ele tem uma massa de um bilhão de sóis combinados, cerca de 1/25 de nosso próprio Via Láctea.
O GN-z11 está formando estrelas cerca de 20 vezes mais rápido, com a notável taxa de 25 novos sóis por ano. “É incrível que uma galáxia tão grande tenha existido apenas 200 milhões a 300 milhões de anos depois que as primeiras estrelas começaram a se formar. É preciso um crescimento realmente rápido, produzindo estrelas a uma taxa enorme, para formar uma galáxia que é um bilhão de massas solares tão cedo ”, explica Garth Illingworth, outro investigador da equipe de descoberta.
A existência de um objeto tão massivo em um tempo tão inicial colide com os cenários atuais de montagem cósmica, colocando novos desafios para os cientistas que trabalham na modelagem da formação e evolução das galáxias. “Esta nova descoberta mostra que o telescópio Webb (JWST) certamente encontrará muitas dessas jovens galáxias, desde quando as primeiras galáxias estavam se formando”, diz Illingworth.
O JWST está programado para ser lançado em 2018 e irá orbitar em torno do sistema solar / terra a partir de um local especial a 900.000 milhas de distância de nós. Como o Hubble, o JWST carregará vários instrumentos, incluindo câmeras e espectrógrafos poderosos, mas terá sensibilidade aprimorada: seu espelho primário será quase sete vezes maior, e sua faixa de frequência se estenderá muito mais na região do infravermelho. O intervalo diferente de freqüências permitirá que o JWST detecte espectros com maior alongamento, pertencentes a objetos mais distantes. Ele também terá a capacidade única de capturar espectros de 100 objetos simultaneamente. Com o JWST, esperamos empurrar a barreira da distância ainda mais longe, para uma época de apenas 150 milhões de anos após o Big Bang, e descobrir as primeiras galáxias já formadas. O JWST nos ajudará a entender como as formas das galáxias mudam com o tempo e quais fatores governam as interações e fusões das galáxias.
Mas o JWST não vai apenas olhar para as galáxias. Examinando o universo em luz infravermelha, poderemos ver através das espessas cortinas de poeira que envolvem estrelas e planetas recém-nascidos, fornecendo uma janela para a formação de outros sistemas solares. Além disso, instrumentos especiais chamados coronógrafos permitirão a geração de imagens de planetas em torno de outras estrelas e, esperamos, levarão à descoberta de vários planetas semelhantes à Terra capazes de acolher a vida. Para quem já olhou para o céu e se perguntou o que está por aí, a próxima década será um momento muito emocionante.
