As primeiras estrelas iluminaram o universo durante a Aurora Cósmica e puseram fim à “idade das trevas” cósmica que se seguiu ao Big Bang. No entanto, a distribuição de sua massa é um dos grandes mistérios não resolvidos do cosmos.
Simulações numéricas da formação das primeiras estrelas estimam que a massa das primeiras estrelas atingiu várias centenas de massas solares. Entre elas, as primeiras estrelas com massas entre 140 e 260 massas solares acabaram como supernovas de instabilidade de pares (PISNes). As PISNes são bastante diferentes das supernovas comuns (isto é, supernovas do Tipo II e do Tipo Ia) e teriam imprimido uma assinatura química única na atmosfera das estrelas da próxima geração. No entanto, tal assinatura não havia sido encontrada.
Um novo estudo liderado pelo Prof. Zhao Gang dos National Astronomical Observatories of the Chinese Academy of Sciences (NAOC) identificou uma estrela quimicamente peculiar (LAMOST J1010 + 2358) no halo galáctico como evidência clara da existência de PISNes das primeiras estrelas supermassivas no início do universo, com base na pesquisa do Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST) e posteriormente na observação de espectros de alta resolução pelo Telescópio Subaru. Foi confirmado que esta estrela se formou na nuvem de gás dos elementos gerados de uma PISNe com 260 massas solares.
A equipe também inclui os pesquisadores dos Observatórios de Yunnan do CAS, do Observatório Astronômico Nacional do Japão e da Universidade Monash, da Austrália.
Este estudo foi publicado online na Nature.
A equipe de pesquisa realizou posteriormente observações espectroscópicas de alta resolução da J1010+2358 com o telescópio Subaru e derivou quantidades abundantes para mais de dez elementos. A característica mais significativa desta estrela é sua abundância extremamente baixa de sódio e cobalto. Sua relação sódio-ferro é inferior a 1/100 do valor solar. Esta estrela também exibe uma variação de abundância muito grande entre os elementos de número de carga ímpar e par, como sódio/magnésio e cobalto/níquel.
“A peculiar variação ímpar-par, juntamente com deficiências de sódio e elementos α nesta estrela, são consistentes com a previsão de PISNes primordiais de estrelas de primeira geração com 260 massas solares”, disse o Dr. Xing Qianfan, primeiro autor do estudo.
A descoberta de J1010+2358 é uma evidência direta da instabilidade hidrodinâmica devido à produção de pares elétron-pósitron na teoria da evolução de estrelas supermassivas. A criação de pares elétron-pósitron reduz a pressão térmica dentro do núcleo de uma estrela muito massiva e leva a um colapso parcial.
“Ela fornece uma pista essencial para restringir a função de massa inicial no início do universo”, disse o Prof. Zhao Gang, autor correspondente do estudo. “Antes deste estudo, nenhuma evidência de supernovas de estrelas tão massivas foi encontrada nas estrelas pobres em metal.”
Além disso, a abundância de ferro de LAMOST J1010+2358 ([Fe/H] = -2,42) é muito maior do que nas estrelas mais pobres em metais do halo galáctico, sugerindo que as estrelas de segunda geração formadas no gás gerado por uma PISNe podem ser mais ricas em metais do que o esperado.
“Um dos santos graais da busca por estrelas pobres em metais é encontrar evidências dessas supernovas de instabilidade de pares iniciais”, disse o professor Avi Loeb, ex-presidente do Departamento de Astronomia da Universidade de Harvard.
O professor Timothy Beers, reitor de astrofísica da Universidade Notre Dame, comentou os resultados: “Este artigo apresenta o que é, que eu saiba, a primeira associação definitiva de uma estrela do halo galáctico com um padrão de abundância originado de uma PISNe.”
Mais informações: Zhao Gang et al, A metal-poor star with abundances from a pair instability supernova, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06028-1, https://www.nature.com/articles/s41586-023-06028-1
