Este gráfico mostra a localização de 150 blazares (pontos verdes) usados no novo telescópio Fermi Gamma-Ray. Crédito: NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration
Toda a luz que foi produzida por todas as estrelas que já existiu ainda está lá fora, mas "vê-la" e medi-la com precisão é extremamente difícil. Agora, os astrônomos que usam dados do Telescópio Espacial Fermi de raios gama da NASA puderam observar blazares distantes para ajudar a medir a luz de fundo de todas as estrelas que estão brilhando agora e sempre. Isso permitiu a medição mais precisa da luz das estrelas em todo o universo, o que, por sua vez, ajuda a estabelecer limites ao número total de estrelas que já brilharam.
"A luz óptica e ultravioleta das estrelas continua viajando por todo o universo, mesmo depois que as estrelas deixam de brilhar, e isso cria um campo de radiação fóssil que podemos explorar usando raios gama de fontes distantes", disse o cientista Marco Ajello, do Instituto Kavli para Astrofísica e Cosmologia de Partículas na Universidade de Stanford, na Califórnia, e no Laboratório de Ciências Espaciais da Universidade da Califórnia, em Berkeley.
Seus resultados também fornecem uma densidade estelar no cosmos de cerca de 1,4 estrelas por 100 bilhões de anos-luz cúbicos, o que significa que a distância média entre as estrelas no universo é de 4.150 anos-luz.
A soma total da luz estelar no cosmos é chamada de luz de fundo extragalática (EBL), e Ajello e sua equipe investigaram a EBL estudando raios gama de 150 blazares, que estão entre os fenômenos mais energéticos do universo. São galáxias alimentadas por buracos negros extremamente energéticos: possuem energias superiores a 3 bilhões de elétron-volts (GeV), ou mais de um bilhão de vezes a energia da luz visível.
Os astrônomos usaram quatro anos de dados Fermi em raios gama com energias acima de 10 bilhões de elétron-volts (GeV), e o instrumento Telescópio de Grande Área (LAT) da Fermi é o primeiro a detectar mais de 500 fontes nessa faixa de energia.
Para os raios gama, o EBL funciona como uma espécie de neblina cósmica, mas Fermi mediu a quantidade de absorção de raios gama nos espectros de blazar produzidos pela luz ultravioleta e visível das estrelas em três épocas diferentes da história do universo.
Fermi mediu a quantidade de absorção de raios gama nos espectros de blazar produzidos pela luz ultravioleta e visível das estrelas em três épocas diferentes na história do universo. (Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA)
"Com mais de mil detectados até agora, os blazares são as fontes mais comuns detectadas por Fermi, mas os raios gama nessas energias são poucos e distantes, e é por isso que foram necessários quatro anos de dados para fazer essa análise", disse o membro da equipe. Justin Finke, astrofísico do Laboratório de Pesquisa Naval em Washington.
Os raios gama produzidos em jatos blazar viajam bilhões de anos-luz para a Terra. Durante sua jornada, os raios gama passam por uma névoa crescente de luz visível e ultravioleta emitida por estrelas que se formaram ao longo da história do universo.
Ocasionalmente, um raio gama colide com a luz das estrelas e se transforma em um par de partículas - um elétron e sua contraparte de antimatéria, um pósitron. Quando isso ocorre, a luz do raio gama é perdida. Com efeito, o processo amortece o sinal de raios gama da mesma maneira que o nevoeiro diminui o brilho de um farol distante.
A partir de estudos de blazares próximos, os cientistas determinaram quantos raios gama devem ser emitidos em diferentes energias. Blazares mais distantes mostram menos raios gama com energias mais altas - especialmente acima de 25 GeV - graças à absorção pelo nevoeiro cósmico.
Os pesquisadores determinaram a atenuação média dos raios gama em três faixas de distância: o grupo mais próximo era de quando o universo tinha 11,2 anos de idade, um grupo intermediário quando o universo tinha 8,6 bilhões de anos e o grupo mais distante de quando o universo era 4,1 bilhões de anos.
Essa animação rastreia vários raios gama no espaço e no tempo, desde a emissão no jato de um blazar distante até a chegada no Telescópio de Grande Área (LAT) de Fermi. Durante sua jornada, o número de fótons ultravioleta e óptico em movimento aleatório (azul) aumenta à medida que mais e mais estrelas nascem no universo. Eventualmente, um dos raios gama encontra um fóton da luz das estrelas e o raio gama se transforma em um elétron e um pósitron. Os demais fótons de raios gama chegam a Fermi, interagem com as placas de tungstênio no LAT e produzem os elétrons e pósitrons cujos caminhos através do detector permitem que os astrônomos retornem os raios gama à sua fonte.
A partir dessa medição, os cientistas conseguiram estimar a espessura do nevoeiro.
"Esses resultados fornecem a você um limite superior e inferior da quantidade de luz no Universo e da quantidade de estrelas que se formaram", disse Finke durante uma coletiva de imprensa hoje. "As estimativas anteriores foram apenas um limite superior."
E os limites superior e inferior estão muito próximos um do outro, disse Volker Bromm, astrônomo da Universidade do Texas, Austin, que comentou os resultados. "O resultado de Fermi abre a emocionante possibilidade de restringir o período mais precoce da formação estelar cósmica, preparando o cenário para o Telescópio Espacial James Webb da NASA", disse ele. "Em termos simples, Fermi está nos fornecendo uma imagem sombria das primeiras estrelas, enquanto Webb as detectará diretamente."
Medir a luz extragalática de fundo era um dos principais objetivos da missão para Fermi, e Ajello disse que as descobertas são cruciais para ajudar a responder a uma série de grandes questões em cosmologia.
Um artigo descrevendo as descobertas foi publicado quinta-feira no Science Express.
Fonte: NASA
