Traduzido por Julio Batista
Original de Markus Pössel para a Sociedade Max Planck
Um grupo de astrônomos do MPIA conseguiu identificar o “coração pobre da Via Láctea” – uma população de estrelas remanescentes da história mais antiga de nossa galáxia residindo em suas regiões centrais.
Para esta façanha de “arqueologia galáctica”, os pesquisadores analisaram dados do lançamento mais recente da Missão Gaia da Agência Espacial Europeia (ESA), usando uma rede neural para extrair metalicidades de dois milhões de estrelas gigantes brilhantes na região interna de nossa galáxia. A detecção dessas estrelas, mas também de suas propriedades observadas, corrobora e muito com simulações cosmológicas da história mais antiga de nossa galáxia.
Nossa galáxia natal, a Via Láctea, formou-se gradualmente ao longo de quase toda a história do universo, que se estende por 13 bilhões de anos. Nas últimas décadas, os astrônomos conseguiram reconstruir diferentes épocas da história galáctica da mesma forma que os arqueólogos reconstruiriam a história de uma cidade: alguns edifícios vêm com datas de construção explícitas.
Para outros, o uso de materiais de construção mais primitivos ou estilos de construção mais antigos implica que eles vieram antes, assim como a situação em que restos são encontrados sob outras (e, portanto, mais novas) estruturas. Por último, mas não menos importante, os padrões espaciais são importantes – para muitas cidades, haverá uma cidade velha central cercada por distritos que são claramente mais novos.
Para as galáxias, e em particular para a nossa galáxia, a arqueologia cósmica segue linhas muito semelhantes. Os blocos básicos de construção de uma galáxia são suas estrelas. Para um pequeno subconjunto de estrelas, os astrônomos podem deduzir precisamente quantos anos elas têm. Por exemplo, isso é verdade para as chamadas estrelas subgigantes, uma breve fase da evolução estelar em que o brilho e a temperatura de uma estrela podem ser usados para deduzir sua idade.
Estimando a idade a partir da química
De forma mais geral, para quase todas as estrelas, existe um “estilo de construção” que permite um veredicto geral sobre a idade: a chamada metalicidade de uma estrela, definida como a quantidade de elementos químicos mais pesados que o hélio que a atmosfera da estrela contém. Esses elementos, que os astrônomos chamam de “metais”, são produzidos dentro das estrelas por meio da fusão nuclear e liberados perto ou no final da vida de uma estrela – alguns quando a atmosfera de uma estrela de baixa massa se dispersa, com os elementos mais pesados se dispersando com mais violência quando uma estrela de grande massa explode como uma supernova. Desta forma, cada geração de estrelas “semeia” o gás interestelar a partir do qual a próxima geração de estrelas é formada e, geralmente, cada geração terá uma metalicidade maior que as demais.
Quanto às estruturas de grande escala, assim como em uma cidade, a distribuição espacial é importante. Mas dado que uma galáxia é menos estática do que uma cidade – os edifícios geralmente não se movem, enquanto as estrelas sim – os padrões de movimento também codificam informações importantes. As estrelas da Via Láctea podem estar confinadas às regiões centrais, ou podem fazer parte de um movimento de rotação ordenado no disco fino ou no disco grosso da Via Láctea. Ou então, podem fazer parte do emaranhado caótico de órbitas do extenso halo de estrelas de nossa galáxia – incluindo algumas muito excêntricas, que mergulham repetidamente nas regiões internas e externas.
Como as grandes galáxias crescem ao longo do tempo
Assim como as cidades podem passar por períodos de boom na construção ou períodos de remodelação intensiva, a história da galáxia é moldada por fusões e colisões, bem como pelas grandes quantidades de gás hidrogênio fresco que fluem para as galáxias ao longo de bilhões de anos, a matéria-prima para uma galáxia fazer novas estrelas. A história de uma galáxia começa com protogaláxias menores: regiões densas logo após o Big Bang, onde nuvens de gás colapsam para formar estrelas.
Como tal, as protogaláxias colidem e fundem-se, formando galáxias maiores. Adicione outra protogaláxia a esses objetos um pouco maiores, ou seja, uma protogaláxia que se move suficientemente fora do centro (“grande momento angular orbital”), e você pode acabar com um disco de estrelas. Mescle duas galáxias suficientemente grandes (“grande fusão”) e seus reservatórios de gás irão aquecer, formando uma complexa galáxia elíptica que combina uma escassez de formação de novas estrelas com um padrão complexo de órbitas para as estrelas mais antigas existentes.
Reconstruir esse tipo de história é uma questão de combinar observações cada vez mais informativas com simulações cada vez mais sofisticadas. E embora o quadro geral do que acontece à medida que as galáxias se formam e evoluem já existe há várias décadas, os detalhes só surgiram comparativamente recentemente – graças em grande parte a pesquisas que produziram dados melhores e mais abrangentes.
Nossa galáxia natal, a Via Láctea, desempenha um papel especial nisso. Por definição, esta é a galáxia cujas estrelas podemos examinar melhor e com mais detalhes. A arqueologia galáctica, definida como o estudo da história da nossa galáxia, não apenas nos permite reconstruir partes de nossa própria história mais ampla, mas também aprender algo sobre a evolução da galáxia em geral (“cosmologia local”).
O que veio antes da emocionante adolescência da Via Láctea?
Este episódio particular de arqueologia galáctica começou com uma reconstrução publicada neste semestre de 2022: os pesquisadores do MPIA Maosheng Xiang e Hans-Walter Rix usaram dados do satélite Gaia da ESA e do levantamento espectral LAMOST para determinar as idades das estrelas em uma amostra sem precedentes de 250.000 das chamadas estrelas subgigantes. A partir dessa análise, os astrônomos conseguiram reconstruir as consequências da empolgante adolescência da Via Láctea, 11 bilhões de anos atrás, e sua subsequente fase adulta mais estável (e mais entediante).
A adolescência coincidiu com a última fusão significativa de outra galáxia, chamada Gaia-Encélado/Salsicha, cujos remanescentes foram encontrados em 2018, com a Via Láctea. Deu início a uma fase de intensa formação estelar e deu origem a um disco relativamente espesso de estrelas que conhecemos e podemos ver hoje. A idade adulta consistiu em um influxo moderado de gás hidrogênio, que se estabeleceu no disco fino estendido de nossa galáxia, com a lenta, mas contínua formação de novas estrelas ao longo de bilhões de anos.
O que os astrônomos notaram na época foi que as estrelas mais velhas em sua mostra adolescente já tinham uma metalicidade considerável, cerca de 10% da metalicidade do nosso Sol. Claramente, antes da formação dessas estrelas, deve ter havido gerações ainda anteriores de estrelas que poluíram o meio interestelar com metais.
O que as simulações nos dizem sobre o antigo núcleo da Via Láctea
Na verdade, a existência dessas gerações anteriores estava de acordo com as previsões de simulações da história cósmica. Além disso, essas simulações previram onde os representantes sobreviventes dessas gerações anteriores poderiam ser encontrados. Especificamente, nessas simulações, a formação inicial do que mais tarde se tornou a nossa Via Láctea envolveu três ou quatro protogaláxias que se formaram muito próximas e depois se fundiram umas com as outras, com suas estrelas se estabelecendo como um núcleo comparativamente compacto, não mais do que um alguns milhares de anos-luz de diâmetro.
Adições posteriores de galáxias menores levariam à criação de várias estruturas de disco e do halo. Mas, de acordo com as simulações, pode-se esperar que parte desse núcleo inicial sobreviva a esses desenvolvimentos posteriores relativamente ileso. Deveria ser possível encontrar estrelas do núcleo compacto inicial, o antigo coração da Via Láctea, nas regiões centrais de nossa galáxia e próximas a elas ainda hoje, bilhões de anos depois.
Em busca de antigas estrelas centrais
Nesse ponto, Rix se interessou por maneiras de encontrar estrelas do núcleo antigo de nossa galáxia. Mas ele sabia que, para encontrar mais do que algumas dezenas dessas estrelas, precisaria de uma nova estratégia de observação. O telescópio LAMOST usado no estudo anterior, devido à sua localização na Terra e sua incapacidade de observar durante os meses de monção no verão do hemisfério norte, não consegue observar as regiões centrais da Via Láctea. E as estrelas subgigantes, como as amostradas no levantamento anterior, são muito fracas para serem observáveis além de distâncias de cerca de 7.000 anos-luz, colocando as regiões centrais de nossa galáxia totalmente fora de alcance.
Lembre-se de que, além dessas estrelas raras em que podemos determinar idades específicas, existe o indicador muito mais geral da metalicidade estelar — os “estilos de construção variados” que permitem classificar as estrelas em mais velhas e mais jovens. Felizmente, em junho de 2022 veio o Data Release 3 (DR3) da missão Gaia da ESA. Desde 2014, o Gaia tem medido parâmetros de posição e movimento altamente precisos, incluindo distâncias, para mais de um bilhão de estrelas, revolucionando (entre outros subcampos) a astronomia galáctica. O DR3 foi o primeiro lançamento de dados a incluir alguns dos espectros reais que Gaia havia observado: espectros para 220 milhões de objetos astronômicos.
Gigantes vermelhos de Gaia
Os espectros são onde os astrônomos encontram informações sobre a composição química da atmosfera de uma estrela, incluindo a metalicidade. Mas enquanto os espectros de Gaia são de alta qualidade, e há um número incomparável deles, a resolução espectral – quão finamente a luz de um objeto é dividida por comprimento de onda nas cores elementares do arco-íris – é comparativamente baixa por padrão. Extrair valores confiáveis de metalicidade dos dados do Gaia exigiria uma análise extra, e foi isso que Hans-Walter Rix e René Andrae, pesquisador do Gaia no MPIA, abordaram em um projeto com seu estudante Vedant Chandra, da Universidade Harvard.
Como sabiam que sua análise precisava alcançar as regiões centrais da Via Láctea, os três astrônomos observaram especificamente as estrelas gigantes vermelhas na amostra de Gaia. As gigantes vermelhas típicas são cerca de cem vezes mais brilhantes que as subgigantes e facilmente observáveis mesmo nas regiões distantes do núcleo de nossa galáxia. Essas estrelas também têm a vantagem adicional de que as características espectrais que codificam sua metalicidade são comparativamente visíveis, tornando-as particularmente adequadas para o tipo de análise que os astrônomos estavam planejando.
Extraindo metalicidades com aprendizado de máquina
Para a análise em si, os astrônomos recorreram a métodos de aprendizado de máquina. Até agora, muitas pessoas já se depararam com aplicações dessa técnica inovadora: software como o DALL-E, que gera imagens adequadas a partir de descrições textuais simples, ou o ChatGPT, que pode responder a perguntas com mais ou menos competência e atender a solicitações do usuário. A principal propriedade do aprendizado de máquina é que as estratégias de solução não são programadas explicitamente. Em vez disso, no centro do algoritmo está a chamada rede neural, com semelhanças superficiais com a maneira como os neurônios são organizados no cérebro humano. Essa rede neural é então treinada: dadas combinações de tarefas e suas soluções, e as conexões entre entrada (input) e saída (output) ajustadas de modo que, pelo menos para o conjunto de treinamento, a rede produza a saída correta dada uma entrada específica.
Neste caso específico, a rede neural foi treinada usando espectros de Gaia selecionados como entrada – especificamente: espectros de Gaia para os quais a resposta certa, a metalicidade, já era conhecida de outra pesquisa (a APOGEE, observações espectrais de alta resolução como parte do Levantamento Digital Sloan do Céu [SDSS]). A estrutura interna da rede adaptou-se para que, pelo menos para o conjunto de treinamento, pudesse reproduzir as metalicidades corretas.
Metalicidades confiáveis para 2 milhões de gigantes brilhantes
Um desafio geral no uso do aprendizado de máquina na ciência é que, por sua própria natureza, a rede neural é uma “caixa preta” – sua estrutura interna foi formada pelo processo de treinamento e não está sob o controle direto dos cientistas. É por isso que, para começar, Andrae, Chandra e Rix treinaram sua rede neural apenas com a metade dos dados do APOGEE. Em uma segunda etapa, o algoritmo foi configurado para provar seu valor contra o restante dos dados do APOGEE – com resultados espetaculares: a rede neural foi capaz de deduzir metalicidades precisas, mesmo para estrelas que nunca havia encontrado antes.
Agora que os pesquisadores não apenas treinaram sua rede neural, mas também garantiram que ela pudesse obter resultados precisos para espectros que não haviam encontrado durante o treinamento, os pesquisadores aplicaram o algoritmo ao conjunto completo de dados de gigantes vermelhas dos espectros de Gaia. Uma vez que os resultados chegaram, os pesquisadores tiveram acesso a uma amostra de metalicidades precisas de tamanho sem precedentes, consistindo em 2 milhões de gigantes brilhantes no interior da galáxia.
Mapeando o antigo coração da Via Láctea
Com essa amostra, provou-se comparativamente fácil identificar o antigo coração da Via Láctea – uma população de estrelas que Rix apelidou de “velho coração pobre”, devido à sua baixa metalicidade, idade avançada inferida e localização central. Em um mapa do céu, essas estrelas parecem estar concentradas em torno do centro galáctico. As distâncias convenientemente fornecidas pelo Gaia (através do método de paralaxe) permitem uma reconstrução 3D que mostra essas estrelas confinadas em uma região comparativamente pequena ao redor do centro, aproximadamente 30.000 anos-luz de diâmetro.
As estrelas em questão complementam perfeitamente o estudo anterior de Xiang e Rix sobre a adolescência da Via Láctea: elas têm a metalicidade certa para produzir a metalicidade mais pobre daquelas estrelas que, mais tarde, formaram o disco espesso da Via Láctea. Como esse estudo anterior forneceu uma cronologia para a formação de discos espessos, isso torna o antigo coração da Via Láctea um idoso de mais de 12,5 bilhões de anos.
Corroboração da química
Para o pequeno subconjunto de objetos para os quais os espectros da APOGEE estão disponíveis, é possível ir um passo além: esses espectros fornecem propriedades adicionais das estrelas pobres do coração neste subconjunto, especificamente a abundância de elementos como oxigênio, silício e neônio. Esses elementos podem ser obtidos pela adição sucessiva de partículas alfa (núcleos de hélio-4) a núcleos existentes em um processo chamado “aprimoramento alfa”. Sua presença em tais quantidades indica que as primeiras estrelas obtiveram seus metais de um ambiente no qual elementos mais pesados foram produzidos em escalas de tempo comparativamente curtas por meio de explosões de supernovas de estrelas massivas.
Isso é muito mais consistente com o fato dessas estrelas terem se formado logo após as primeiras protogaláxias terem se fundido para formar o núcleo inicial da Via Láctea, em vez de já estarem presentes nas galáxias anãs que formaram o núcleo inicial da Via Láctea ou que se fundiram com o núcleo inicial da Via Láctea depois. Isso constitui mais uma corroboração do que as simulações cosmológicas têm a dizer sobre a história mais antiga de nossa galáxia.
Um caminho para encontrar as galáxias progenitoras da Via Láctea?
Embora as informações obtidas da visão global de Gaia sejam inovadoras em demonstrar a existência contínua do “coração pobre” de nossa Via Láctea, essa descoberta imediatamente faz com que os astrônomos queiram aprender mais: é possível obter espectros mais detalhados para muito mais ou mesmo para todas essas estrelas, que permitem uma análise mais detalhada de sua composição química? Todos eles mostrarão aprimoramento alfa, consistente com sua formação no núcleo inicial da Via Láctea? Os espectros de acompanhamento obtidos como parte da pesquisa SDSS-V lançada recentemente ou da próxima pesquisa 4MOST, em ambas as quais a MPIA é parceira, prometem permitir que o grupo obtenha as informações necessárias para responder a essas perguntas-chave.
Se as coisas correrem excepcionalmente bem, os dados adicionais podem até permitir que os pesquisadores identifiquem quais estrelas na região do núcleo pertencem a qual das galáxias progenitoras da Via Láctea: para uma estrela mais velha, como as do velho coração pobre, os dados adicionais sobre composição e temperatura permite uma estimativa confiável da luminosidade da estrela. Em comparação com o brilho dessa estrela no céu, pode-se deduzir a distância da estrela – quanto mais distante uma estrela estiver, mais fraca ela parecerá para nós. Para as estrelas comparativamente distantes em questão, os valores de distância obtidos desta forma são consideravelmente mais precisos do que os resultados das medições de paralaxe do Gaia.
A combinação da posição de uma estrela no céu e sua distância nos dá a localização tridimensional da estrela dentro da Via Láctea. A informação sobre o movimento das estrelas em nossa direção ou afastamento – medido pelo deslocamento Doppler de suas linhas espectrais – combinada com seus movimentos aparentes no céu permite a reconstrução das órbitas das estrelas dentro de nossa galáxia. Se tal análise mostra que as estrelas do velho coração pobre pertencem a dois ou três grupos diferentes, cada um com seu próprio padrão de movimento, é provável que esses grupos correspondam a duas ou três galáxias progenitoras diferentes cuja fusão inicial criou a arcaica Via Láctea.
Os resultados descritos aqui foram publicados por Hans-Walter Rix et al, sob o título “The Poor Old Heart of the Milky Way” (O Velho Coração Pobre da Via Láctea), no Astrophysical Journal.
