Podemos finalmente ter evidências das primeiras estrelas do Universo

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Traduzido por Julio Batista
Original de Russell McLendon para o ScienceAlert

As primeiras estrelas podem ter aparecido quando o Universo tinha apenas 100 milhões de anos, ou menos de 1% de sua idade atual. Desde então, a rápida expansão do espaço estendeu sua luz aos tempos remotos e esquecidos, deixando-nos para procurar pistas sobre sua existência em fontes cósmicas mais próximas de casa.

Ao analisar a luz que emerge das nuvens ao redor de um quasar distante, pesquisadores do Japão, Austrália e Estados Unidos descobriram que uma “mistura distinta de elementos pesados” poderia ter vindo de apenas uma fonte: a colossal supernova de uma estrela de primeira geração.

Todas as estrelas que podemos observar são classificadas como População I ou População II, dependendo de sua idade. As estrelas da População I são mais jovens e contêm mais elementos pesados, enquanto as estrelas da População II são mais velhas com menos elementos pesados.

As primeiras estrelas – descritas como População III – são ainda mais antigas, sua existência coincidindo com distâncias cósmicas que as colocam bem fora de vista até mesmo de nossas melhores tecnologias. Por enquanto, podemos apenas teorizar como elas podem ter se parecido.

A impressão do artista mostra uma estrela da População III que é 300 vezes mais massiva que o nosso Sol explodindo como uma supernova com instabilidade de pares. (Créditos: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine)

Os cientistas pensam que essas primeiras estrelas eram super quentes, brilhantes e massivas, talvez centenas de vezes a massa do nosso Sol.

Sem uma história de eventos cósmicos poderosos para gerar elementos mais pesados ​​que o lítio, as estrelas da População III consistiriam inteiramente nos gases mais simples. Naquela época, os únicos materiais disponíveis no Universo eram hidrogênio, hélio e um pouco de lítio, encontrados no gás primordial remanescente do Big Bang. Somente quando as primeiras estrelas entraram em colapso em violência acalorada, elementos mais pesados ​​emergiram.

Essas primeiras estrelas provavelmente concluíram suas vidas com supernovas com instabilidade de pares, um tipo teórico de super-supernova só possível em estrelas muito massivas. Ao contrário de outras supernovas, isso não deixaria vestígios estelares como uma estrela de nêutrons ou um buraco negro, em vez disso, explodiria tudo em uma nuvem em constante expansão.

Essa explosão pode ter semeado o antigo espaço interestelar com os elementos pesados ​​necessários para a formação de mundos rochosos como o nosso – permitindo assim a vida como a conhecemos – então o efeito líquido é positivo.

Para os astrônomos na Terra que agora esperam aprender sobre as estrelas da População III, no entanto, a luz dessas antigas megaexplosões desapareceu na distância, deixando pouco mais do que uma nuvem difusa contendo uma mistura complexa de elementos.

Com o tempo, essa mistura de materiais pode se transformar em algo novo. Para encontrar sinais de tal concentração de poeira estelar, os autores do novo estudo usaram dados espectrógrafos de infravermelho próximo de um dos quasares mais distantes conhecidos – um tipo de núcleo galáctico ativo, ou o centro extremamente luminoso de uma galáxia jovem.

A luz deste quasar estava acelerando pelo espaço por 13,1 bilhões de anos antes de atingir a Terra, observaram os pesquisadores, o que significa que estamos vendo o quasar como era quando o Universo tinha apenas 700 milhões de anos.

Um espectrógrafo é um instrumento que captura e divide a luz recebida, neste caso de um objeto celeste, em seus comprimentos de onda reais. Isso pode revelar quais elementos estão presentes em um objeto distante, embora coletar essas informações nem sempre seja fácil.

O brilho das linhas em espectros astronômicos pode depender de outros fatores além da abundância de um elemento, apontaram os autores, o que pode complicar os esforços para identificar elementos específicos.

No entanto, dois dos autores do estudo – os astrônomos Yuzuru Yoshii e Hiroaki Sameshima, ambos da Universidade de Tóquio – já haviam desenvolvido um truque para contornar esse problema.

Seu método, que envolve o uso da intensidade do comprimento de onda para estimar a prevalência de elementos, permitiu que a equipe de pesquisa analisasse a composição das nuvens ao redor desse quasar.

A análise revelou uma proporção estranhamente baixa de magnésio para ferro nas nuvens, que tinham 10 vezes mais ferro do que magnésio em comparação com o nosso Sol. Essa foi uma pista, disseram os pesquisadores, sugerindo que este era material da explosão cataclísmica de uma estrela de primeira geração.

“Era óbvio para mim que a supernova candidata a isso seria uma supernova com instabilidade de pares de uma estrela da População III, na qual a estrela inteira explode sem deixar nenhum vestígio para trás”, disse o coautor Yuzuru Yoshii, astrônomo da Universidade de Tóquio.

“Fiquei encantado e um tanto surpreso ao descobrir que uma supernova com instabilidade de pares de uma estrela com massa cerca de 300 vezes a do Sol fornece uma proporção de magnésio para ferro que concorda com o baixo valor que derivamos para o quasar”.

Pelo menos um outro vestígio potencial de uma estrela da População III foi relatado em 2014, observaram Yoshi e seus colegas, mas eles argumentam que essa nova descoberta é a primeira a fornecer evidências tão fortes.

Se eles estiverem certos sobre o que encontraram, esta pesquisa pode ajudar bastante a revelar como a matéria evoluiu durante a história do Universo. Mas para ter certeza, eles acrescentam, mais observações serão necessárias para verificar características semelhantes em outros objetos celestes.

Essas observações podem não precisar vir de quasares tão distantes. Mesmo que não haja mais estrelas da População III no Universo, a longevidade de seus remanescentes de supernova significa que as evidências podem estar escondidas em quase qualquer lugar – incluindo o Universo local ao nosso redor.

“Agora sabemos o que procurar; temos um caminho”, disse o coautor Timothy Beers, astrônomo da Universidade de Notre Dame.

“Se isso aconteceu localmente no Universo primitivo, seja o que deveria ter acontecido, então esperaríamos encontrar evidências disso”.

As descobertas foram publicadas no The Astrophysical Journal.