Capítulo 9: A idade das trevas e as primeiras estrelas

Noite 97: Fotografias do lado noturno

No dia 97, o solo tinha pedido à tripulação fotografias noturnas da Terra. Os cientistas em solo usam essas imagens para estudar muitas coisas: o brilho das cidades e das estradas, a expansão das luzes ao longo dos anos, as tempestades e as formas dos litorais no escuro. A tarefa parece simples. Na prática, é um dos trabalhos mais difíceis da estação, porque a estação se move muito depressa.

A cerca de 28.000 quilômetros por hora, o chão lá embaixo desliza depressa. Uma fotografia do lado noturno precisa de uma exposição longa, porque há muito pouca luz, mas uma exposição longa fica borrada quando a câmera e o chão se movem um em relação ao outro. Então Noor usou um suporte de câmera que girava devagar para acompanhar o chão, e conferia cada imagem na tela antes de tirar a seguinte. Ade flutuava ao lado dela, lendo os horários em que a estação passaria sobre cada área que os cientistas tinham pedido.

Entre as fotos planejadas, eles viam coisas que nenhuma programação poderia planejar. Bem longe, de um lado, uma tempestade lampejava com relâmpagos, uma nuvem se acendendo depois da outra, como lâmpadas sendo ligadas e desligadas numa grande casa escura. Perto da borda da Terra, uma cortina verde de aurora ondulava devagar, com um leve toque de vermelho no alto. Acima de tudo, ao longo da curva do planeta, havia uma faixa fina e pálida de ar brilhante e, acima dela, o céu negro e as estrelas.

Noor sabia o que estava vendo. A aurora aparece quando partículas minúsculas que saem do Sol em fluxo são guiadas pelo magnetismo da Terra em direção às regiões perto dos polos, onde fazem brilhar o ar rarefeito das camadas altas, um pouco como o gás de um letreiro luminoso. A faixa pálida ao longo da borda do planeta era o próprio ar, devolvendo, muito de leve, parte da energia que tinha recolhido da luz do Sol durante o dia.

Quando a estação voltou para a luz do Sol, Noor guardou a câmera e passou as imagens. A maioria estava boa. Algumas estavam borradas, e ela as marcou para que os cientistas soubessem. Depois ficou um momento parada com a última imagem na tela: uma Terra escura, algumas luzes espalhadas e, em cima, escuridão completa. Aquilo a fez lembrar de algo que tinha lido sobre o universo depois da luz mais antiga, uma época em que ainda não havia uma única estrela.

Naquela noite, ela fez uma pergunta a Sami em vez de responder a uma. Perguntou qual era o lugar mais escuro da rota noturna dele. Ele respondeu que era uma estrada longa entre campos, sem cidades e sem postes de luz, onde às vezes ele desligava o rádio e dirigia em silêncio. Noor contou que o universo já tinha tido uma escuridão como aquela, só que muito mais longa, durando milhões de anos. E que as primeiras luzes a aparecer nela foram as primeiras estrelas.

Depois da luz mais antiga

Numa noite anterior, vimos a névoa se dissipar por volta de 380.000 anos depois do começo. Os átomos se formaram, e a luz mais antiga foi liberada. No começo, essa luz era morna e brilhante, o brilho de algo a uma temperatura de alguns milhares de graus. Se você pudesse ter estado lá, o céu inteiro teria brilhado com uma luz alaranjada e suave. Mas o universo continuou se expandindo, e a luz continuou se esticando. Ao longo de alguns milhões de anos, as ondas dela ficaram mais longas do que o olho consegue ver. O céu, para olhos humanos, escureceu.

Ainda não havia estrelas para substituir essa luz. O universo estava cheio de gás, quase todo hidrogênio e hélio, os elementos simples dos primeiros minutos. Ele estava espalhado de modo bastante uniforme pelo espaço, mas não perfeitamente uniforme, por causa das ondulações minúsculas que vimos na luz mais antiga. E havia outra coisa, que vamos conhecer direito na próxima noite: uma grande quantidade de matéria invisível, chamada matéria escura, que não brilha, mas atrai com a sua gravidade.

Quanto tempo durou a idade das trevas? Ela começou quando a luz mais antiga saiu do alcance da visão e terminou quando as primeiras estrelas começaram a brilhar. Como as primeiras estrelas provavelmente se formaram nas primeiras poucas centenas de milhões de anos, a idade das trevas provavelmente durou cem milhões de anos ou mais. Ninguém sabe a duração exata. Foi, de qualquer modo, uma noite muito longa, muitas vezes mais longa do que toda a história humana.

Os astrônomos chamam esse longo período de idade das trevas cósmica. Ela não era escura por estar vazia. Era escura porque nada nela brilhava ainda. Imagine um grande teatro depois do último espetáculo da noite. O público foi embora, as luzes estão apagadas, e o palco está em silêncio. Mas o prédio não está vazio. As poltronas, as cortinas e o palco continuam ali, esperando a próxima apresentação.

Durante a idade das trevas, a gravidade trabalhava devagar. Nos lugares onde o universo era levemente mais denso, a gravidade puxava um pouco mais forte. Esses lugares atraíam mais matéria, o que os tornava ainda mais densos, o que tornava a atração deles mais forte. Esse é o trabalho paciente da gravidade: pequenas diferenças crescem com o tempo. A matéria escura invisível se juntou primeiro em aglomerados, e o gás comum caiu dentro desses aglomerados, como água escorrendo para as depressões do terreno.

À medida que o gás se juntava e ficava mais denso, ele também ficava mais quente no centro, assim como o ar esquenta numa bomba de bicicleta quando você o comprime. Durante muito tempo, os aglomerados de gás cresceram sem se tornar estrelas. Então, nos lugares mais densos, o gás no centro ficou tão quente e tão apertado que começou um novo tipo de processo. Núcleos de hidrogênio começaram a se juntar em hélio, liberando energia, num processo chamado fusão, que vamos explorar numa noite mais adiante. Quando isso aconteceu, nasceu uma estrela. A primeira luz depois da idade das trevas tinha se acendido.

As primeiras estrelas

Quando apareceram as primeiras estrelas? Os astrônomos acham que elas provavelmente se formaram nas primeiras poucas centenas de milhões de anos depois do começo. O momento exato não é conhecido, e pode ter sido diferente em lugares diferentes, já que os aglomerados mais densos teriam formado estrelas primeiro. Comparadas com a idade total do universo, cerca de 13,8 bilhões de anos, algumas centenas de milhões de anos são bem cedo. Na história de um longo dia de trabalho que vamos contar na última noite, isso fica em algum ponto da primeira meia hora depois da meia-noite.

As primeiras estrelas provavelmente eram muito diferentes do Sol. Eram feitas quase só de hidrogênio e hélio, porque ainda não havia elementos mais pesados. Os elementos mais pesados ajudam as nuvens de gás a esfriar e a se partir em pedaços menores. Sem eles, as nuvens de gás do universo jovem provavelmente ficavam mais quentes e desabavam em blocos muito maiores. Por isso, muitos astrônomos acham que as primeiras estrelas eram muitas vezes muito grandes, talvez muitas vezes mais pesadas que o Sol.

Estrelas grandes vivem depressa. Uma estrela muito mais pesada que o Sol gasta o seu combustível muito mais rápido do que uma pequena, porque o centro dela é muito mais quente e mais denso. O Sol brilha há cerca de 4,6 bilhões de anos e está só mais ou menos na metade da vida. As maiores das primeiras estrelas podem ter vivido apenas alguns milhões de anos. Depois chegaram ao fim, provavelmente em grandes explosões, e essas explosões espalharam pelo espaço os primeiros elementos mais pesados. Esse é o começo de uma história que vamos acompanhar em noites futuras.

É importante ser honesto aqui. Muito do que dissemos sobre as primeiras estrelas vem de cálculos cuidadosos e de modelos de computador, e não de observação direta. Os astrônomos têm bastante confiança de que as primeiras estrelas eram feitas de hidrogênio e hélio e de que muitas eram grandes. Mas o quanto eram grandes, quantas eram e exatamente como se formaram ainda está sendo estudado. Modelos diferentes dão respostas um pouco diferentes. Ninguém viu ainda com clareza uma das primeiríssimas estrelas e teve certeza do que ela era.

Há também um belo efeito das primeiras estrelas que os astrônomos podem estudar. Estrelas grandes e quentes emitem muita luz forte, boa parte dela ultravioleta, o tipo de luz que queima a pele num dia de sol. Essa luz forte conseguia arrancar elétrons dos átomos de hidrogênio do gás em volta das estrelas. Aos poucos, em volta de cada estrela primitiva e de cada galáxia primitiva, cresceram bolhas de gás com elétrons livres. As bolhas se espalharam e se uniram. Quando o universo tinha cerca de um bilhão de anos, a maior parte do gás entre as galáxias tinha sido transformada dessa maneira. A luz das estrelas primitivas tinha dissipado o que restava da escuridão.

As pessoas que olharam para trás

Como os astrônomos procuram as primeiras estrelas e galáxias? A resposta remonta às primeiras noites deste livro. A luz leva tempo para viajar. Quanto mais distante algo está, mais tempo a luz dele viajou para chegar até nós, e por isso mais para trás no tempo o vemos. Para ver as galáxias mais antigas, os astrônomos precisam olhar para as mais distantes. Elas são extremamente fracas, então são necessários telescópios muito grandes e muito sensíveis.

Em 1990, um telescópio foi lançado em órbita em volta da Terra, acima do ar que borra a vista a partir do chão. Ele se chama Telescópio Espacial Hubble, em homenagem ao astrônomo Edwin Hubble, que conhecemos em noites anteriores. Em meados dos anos 1990, a sua equipe fez algo que no começo pareceu quase um desperdício. Apontou o telescópio durante muitos dias para um pedacinho de céu que parecia completamente vazio, um pedaço muito menor do que a Lua cheia. Quando somaram todas as imagens, o pedaço vazio estava cheio de galáxias, milhares delas, muitas tão distantes que a luz delas tinha viajado bilhões de anos.

Mas até esse telescópio tinha um limite. Como vimos na noite das galáxias que se afastam, a luz de galáxias muito distantes é esticada pela expansão do espaço. A luz que saiu das primeiras galáxias como luz azul ou ultravioleta chega hoje como luz infravermelha, com ondas longas demais para os nossos olhos. A luz infravermelha é aquela que sentimos como calor, por exemplo, a de um fogão. Para ver bem as galáxias mais antigas, os astrônomos precisavam de um telescópio construído especialmente para a luz infravermelha.

Esse telescópio é o Telescópio Espacial James Webb. Ele foi lançado em dezembro de 2021, depois de muitos anos de planejamento e construção por um grande número de engenheiros, técnicos e cientistas. O seu grande espelho era grande demais para caber dentro de um foguete, então foi feito de muitas peças que se desdobraram no espaço, como uma flor se abrindo. Como o telescópio procura um calor fraco, ele precisa ser mantido extremamente frio, e por isso carrega um grande escudo que bloqueia o calor do Sol. E foi enviado para muito mais longe da Terra do que a Lua, para um lugar tranquilo onde o Sol, a Terra e a Lua ficam todos do mesmo lado, atrás do escudo.

A própria viagem foi um longo trabalho cuidadoso. O telescópio levou cerca de um mês para chegar ao seu lugar e, durante esse tempo, foi se desdobrando passo a passo: o escudo, as peças do espelho e muitas partes menores. Cada passo tinha sido testado em terra, e cada um precisava funcionar no espaço, onde ninguém poderia ir consertá-lo. Muitas das pessoas que o construíram acompanharam essas semanas bem de perto, depois de anos da sua vida profissional dedicados a essa única máquina.

Desde que começou a trabalhar, o telescópio Webb encontrou galáxias cuja luz saiu delas quando o universo tinha apenas algumas centenas de milhões de anos. Algumas dessas galáxias primitivas são mais brilhantes e mais desenvolvidas do que muitos astrônomos esperavam. Isso deu início a discussões animadas sobre a rapidez com que as primeiras galáxias cresceram. Essas discussões ainda estão em andamento. É um bom exemplo de como um instrumento novo não só responde a perguntas antigas. Ele também faz perguntas novas.

Ainda à procura das primeiríssimas

Nem o telescópio Webb conseguiu ver ainda com clareza as primeiríssimas estrelas isoladas. As galáxias mais antigas que ele vê já contêm muitas estrelas, e algumas dessas estrelas podem já conter elementos mais pesados feitos por estrelas anteriores a elas. As primeiríssimas estrelas, feitas só de hidrogênio e hélio, provavelmente são fracas demais e distantes demais para ser vistas uma a uma. Os astrônomos esperam encontrar sinais delas de outras maneiras, por exemplo, na luz das galáxias mais antigas ou nos clarões brilhantes das suas explosões.

Há também outras formas de procurar. O gás de hidrogênio da idade das trevas emitia um sinal de rádio muito fraco, próprio dele. Vários grupos de cientistas estão construindo instrumentos de rádio para tentar detectá-lo. É um trabalho muito difícil, porque o sinal é muito fraco e o ruído de rádio da Terra e da nossa própria galáxia é muito forte. É um pouco como os engenheiros da luz mais antiga, tentando ouvir uma voz baixa numa sala cheia de chiado. Ninguém mediu ainda esse sinal de um jeito com que todos concordem.

Os astrônomos também estudam estrelas antigas perto de casa, na nossa própria galáxia. Algumas estrelas da Via Láctea são muito antigas e contêm só quantidades minúsculas de elementos mais pesados. Elas não são as primeiríssimas estrelas, mas podem ser filhas ou netas delas, formadas a partir de um gás que tinha sido enriquecido por apenas uma ou poucas gerações anteriores de estrelas. Estudando as pequenas quantidades de elementos mais pesados nessas estrelas antigas, os astrônomos conseguem aprender algo sobre as estrelas que vieram antes delas. É um pouco como conhecer os bisavós observando a semelhança de família nos seus descendentes.

Então a busca pelas primeiras estrelas está acontecendo em muitos lugares ao mesmo tempo: com telescópios no espaço que olham para longe, com instrumentos de rádio que tentam escutar a idade das trevas e com telescópios em terra que estudam as estrelas mais antigas aqui perto. Cada método dá uma parte do quadro. Nenhum deles dá ainda o quadro inteiro. É assim que boa parte da ciência funciona, por meio de muitos trabalhos pequenos e cuidadosos, feitos por muitas pessoas ao longo de muitos anos, que vão se encaixando devagar.

Antes de dormir

Antes de dormir, Noor olhou pela janela mais uma vez. A estação estava de novo sobre o lado noturno e, desta vez, ela apagou a luz da pequena sala redonda, para que os olhos se acostumassem. Depois de alguns minutos, mais estrelas apareceram, e depois mais, até o céu negro ficar cheio delas. Da estação, elas não cintilavam. Brilhavam firmes, cada uma delas um sol, algumas perto e outras longe.

Ade entrou flutuando em silêncio e ficou olhando ao lado dela por um tempo. Disse que, toda vez que via tantas estrelas, achava difícil acreditar que um dia não tinha existido nenhuma. Noor disse que ela achava difícil acreditar que alguém tivesse descoberto isso. Depois os dois voltaram para as suas cabines, porque o próximo dia de trabalho começaria cedo.

Ela escreveu para Sami: “Da próxima vez que você dirigir pela sua estrada escura, pense nisto. Durante cem milhões de anos ou mais, o universo inteiro foi mais escuro do que aquela estrada. Então, uma a uma, as primeiras estrelas se acenderam, como as primeiras luzes de uma cidade ao anoitecer.” Sami respondeu que, na estrada escura dele, a primeira luz que costuma ver é a do posto de gasolina onde compra café e que, a partir de agora, ia pensar nela como uma estrela.

Depois de um longo dia de trabalho, talvez você também volte para casa a pé ou de carro no escuro. Quando a primeira luz da sua rua ou da sua casa aparece à sua frente, é um consolo pequeno e comum. O universo teve a sua própria versão desse momento, há muito tempo, quando as primeiras estrelas começaram a brilhar na escuridão. Tudo o que veio depois, as galáxias, o Sol e a Terra, cresceu a partir desse começo.

Equívocos comuns

Muita gente pensa que a idade das trevas cósmica era escura porque o universo estava vazio. Ele não estava nada vazio. Estava cheio de gás de hidrogênio e hélio, cheio de matéria escura invisível e ainda cheio da luz mais antiga, que àquela altura já tinha se esticado além do que os olhos conseguem ver. A idade das trevas era escura porque nada brilhava ainda. Foi também uma época movimentada, de um jeito silencioso, porque a gravidade estava puxando devagar a matéria para os aglomerados onde as primeiras estrelas se formariam.

Muita gente também imagina que as primeiras estrelas eram como o Sol. Provavelmente eram muito diferentes. Eram feitas quase só de hidrogênio e hélio, sem os elementos mais pesados que o Sol contém. Muitas delas provavelmente eram bem maiores e mais quentes que o Sol e viveram vidas muito mais curtas. O Sol é uma estrela bem mais tardia. Como veremos numa noite mais adiante, ele se formou a partir de um gás que já tinha sido enriquecido por muitas gerações de estrelas antes dele.

Por fim, algumas pessoas acreditam que, se encontrarem um lugar bem escuro e olharem para cima, conseguirão ver as primeiras estrelas com os próprios olhos. Infelizmente, não conseguem. As primeiras estrelas chegaram ao fim há muito tempo, e a luz delas, se é que chega até nós, é fraca demais e esticada demais para ser vista sem os maiores telescópios, e nem eles as viram ainda com clareza. As estrelas que você vê numa noite escura estão muito mais perto e são muito mais jovens, quase todas dentro da nossa própria galáxia. Mas cada uma delas faz parte da mesma longa história. Na próxima noite, vamos ver como os primeiros aglomerados de estrelas cresceram até virar galáxias e como algo invisível os ajudou a crescer.