Observatório a bordo de avião detecta o primeiro tipo de molécula formada no universo

O universo se formou em uma súbita expansão do espaço-tempo chamada Big Bang. Por conta desta alcunha – dada de forma jocosa por Fred Hoyle, que não acreditava nessa hipótese –, essa rápida expansão é muitas vezes confundida com uma grande explosão. Semântica à parte, o fato é que o universo nasceu muito, muito quente e era energia pura. Aos poucos ele foi esfriando e a energia pode se converter em matéria, dando origem às primeiras partículas.

Mesmo quando o universo já tinha prótons e elétrons, ainda levou mais um tempinho para que se formassem os primeiros átomos, principalmente o hidrogênio, um pouco de hélio e pitadas de outros elementos mais pesados, como berílio e lítio, por exemplo. As quantidades certinhas podem ser calculadas a partir das equações de física nuclear em uma disciplina chamada nucleossíntese primordial.

Os cálculos teóricos foram comparados com observações de nebulosas em que a contaminação de elementos produzidos posteriormente por estrelas é baixa. Eram, portanto, nebulosas bastante representativas da abundância química do início do universo, e os resultados estavam em grande concordância. Esse fato é um dos três pilares que sustentam a teoria do Big Bang, mostrando que, apesar de precisar de alguns remendos, ela é uma teoria bem consistente.

Os outros dois pilares são a expansão do universo e a radiação cósmica de fundo.

Mas e quanto as primeiras moléculas? Quando e qual teria sido a primeira molécula formada no universo?

Formação de átomos e moléculas

Para que um átomo se formasse no universo primordial, foi preciso que o universo se esfriasse a ponto de um próton poder capturar um elétron, para formar o átomo de hidrogênio, o mais simples. Para formar a primeira molécula, foi preciso esperar mais um pouco, de modo que o universo se esfriasse mais.

Então, por volta de 100 mil anos depois do Big Bang, a temperatura tinha caído para valores da ordem de 4-5 mil kelvin, o que já é baixo o suficiente para moléculas se formarem e sobreviverem. Mas qual teria sido essa molécula?

Bom, partindo do princípio que, naquela época, o universo era basicamente hidrogênio e hélio, deve ter sido uma combinação entre os dois. O hélio é um elemento nobre, não se combina com ninguém, mas, em determinadas condições de alta densidade, pressão e temperatura, ele pode se ligar a algum átomo. E o universo, com 100 mil anos, tinha tudo isso, e tinha muito hidrogênio soltinho.

^{Ilustração mostra a nebulosa NGC 7027 — Foto: Divulgação/Nasa}

Qual foi a primeira molécula?

A primeira molécula a se formar no universo foi um hidreto de hélio, ou HeH+. Essa molécula foi sintetizada em laboratórios em 1925 e desde então ela tem sido procurada no universo moderno. Veja, não se trata de usar os melhores telescópios do mundo para tentar detectar essa molécula no universo antigo, observando galáxias ou quasares muito, muito distantes.

Para encontrar essa molécula em ambientes astrofísicos atuais, era preciso encontrar um local com alta temperatura e abundância de energia, que poderia dar condições para a formação do hidreto de hélio. Essas condições são encontradas, de modo geral, em nebulosas planetárias, estágios finais de evolução de estrelas de pouca massa como o Sol. Na década de 1970, a nebulosa NGC 7027, distante 3 mil anos luz na constelação do Cisne, foi identificada como boa candidata a ter as condições propícias.

Desde então, astrônomos tentaram, sem sucesso, identificar essa molécula. Coube a equipe liderada por Rolf Guesten, do Instituto Max Planck de Rádio Astronomia da Alemanha encontrar o HeH+.

Para fazer isso, ele e sua equipe precisou observar com um instrumento, digamos, sui generis: um observatório embarcado em um Boeing 747! Pois é, a nossa atmosfera atua como um filtro absorvendo quase toda a radiação infravermelha que vem do espaço. Pouca coisa pode ser observada da Terra e para conseguir observar em comprimentos de onda mais longos, é preciso contornar a atmosfera.

Isso pode ser feito do espaço, com satélites dedicados a isso, como o telescópio espacial Spitzer da Nasa e o Herschel, da ESA. Mas lançar um telescópio como esse é muito caro, sem falar no risco de um defeito de fabricação, ou no lançamento, arruinar um investimento de centenas de milhões de dólares. O infravermelho é absorvido, principalmente, pelo gás carbônico e vapor d’água e ambos se concentram em altitudes abaixo de 10 km. Com um jato viajando a 11-12 km de altitude, podendo alcançar um pouco mais, ele deixa para baixo algo como 90% dos dois gases. Isso viabiliza observações em comprimentos de onda impossíveis de atingir o solo.

O Observatório Estratosférico para Astronomia Infravermelha (Sofia, na sigla em inglês) é um consórcio entre várias instituições de pesquisa, incluindo a Nasa (dona do avião) e o Instituto Max Planck. Os dados foram coletados em 2016 e publicados nesta semana na prestigiosa revista "Nature".

Ele confirma detalhes da evolução do universo primordial, quando ele era ainda muito jovem e inacessível aos instrumentos de pesquisa, pois só podemos observar a partir de quando o universo tinha 380 mil anos de idade. Descobertas como essas confirmam as previsões teóricas de uma época em que não podemos observar o universo através de observações do universo como ele é hoje.