Quando a vida no Universo se tornou possível pela primeira vez?

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Moléculas de açúcar no gás que envolve uma jovem estrela semelhante ao Sol. Os ingredientes básicos para a vida podem existir em todos os lugares, mas nem todo planeta que os contém desenvolverá vida.

Por Ethan Siegel
Publicado na Forbes

A história cósmica que se desenrolou após o Big Bang é onipresente, não importa onde você esteja. A formação de núcleos atômicos, átomos, estrelas, galáxias, planetas, moléculas complexas e, eventualmente, a vida, é uma parte da história compartilhada de todos e de tudo no Universo. Como entendemos hoje, a vida em nosso mundo começou, no máximo, apenas algumas centenas de milhões de anos após a formação da Terra.

Isso coloca a vida como a conhecemos quase 10 bilhões de anos após o Big Bang. O Universo não poderia ter formado vida desde os primeiros momentos; tanto as condições quanto os ingredientes estavam errados. Mas isso não significa que foram necessários todos esses bilhões e bilhões de anos de evolução cósmica para tornar a vida possível. Tudo isso poderia ter começado quando o Universo tinha apenas alguns por cento de sua idade atual. É nesse período que a vida poderia ter surgido em nosso Universo.

Os primórdios do Universo

Os fótons, partículas e antipartículas do Universo primordial. Estava cheio de bósons e férmions naquela época, mais todos os antifermions que você possa imaginar. Se existirem partículas adicionais de alta energia que ainda não descobrimos, é provável que elas também tenham surgido nesses estágios iniciais. Essas condições eram inadequadas para a vida.

No momento do quente Big Bang, os ingredientes básicos para a vida não existiam de maneira estável. Partículas, antipartículas e radiação se moviam em velocidades relativísticas, destruindo qualquer estrutura ligada que pudesse se formar por acaso. Conforme o Universo envelheceu, porém, ele também se expandiu e esfriou, reduzindo a energia cinética de tudo nele. Com o tempo, a antimatéria foi aniquilada, núcleos atômicos estáveis ​​se formaram e os elétrons puderam se ligar a eles de maneira estável, formando os primeiros átomos neutros do Universo.

No entanto, esses primeiros átomos eram apenas hidrogênio e hélio: insuficientes para a vida. Elementos mais pesados, como carbono, nitrogênio, oxigênio e outros, são necessários para construir as moléculas das quais dependem todos os processos vitais. Para isso, estrelas em grande abundância precisaram se formar, passar por seus ciclos de vida ou morte e devolver os produtos de suas fusões nucleares ao meio interestelar.

O surgimento das primeiras estrelas

A galáxia distante MACS1149-JD1 é gravitacionalmente objetivada por um aglomerado de primeiro plano, permitindo que seja fotografada em alta resolução e em vários instrumentos, mesmo sem tecnologia de última geração. A luz desta galáxia chega até nós de 530 milhões de anos após o Big Bang, mas as estrelas dentro dela têm pelo menos 280 milhões de anos.

Foram necessários de 50 a 100 milhões de anos para formar as primeiras estrelas em aglomerados relativamente grandes. Nas regiões mais densas do espaço, esses aglomerados de estrelas atraíram gravitacionalmente matéria, incluindo material para estrelas adicionais e outros aglomerados de estrelas, abrindo caminho para as primeiras galáxias. Com o tempo, cerca de 200 a 250 milhões de anos, não apenas várias gerações de estrelas viveram e morreram, como também os primeiros aglomerados de estrelas se transformaram em galáxias.

A criação dos elementos essenciais à vida

Alguns dos átomos e moléculas encontrados na nuvem de Magalhães, como fotografado pelo Telescópio Espacial Spitzer. A criação de elementos pesados, moléculas orgânicas, água e planetas rochosos foram todas condições necessárias para que tivéssemos a chance de surgir.

Isso é importante, porque não é preciso apenas criar os elementos pesados ​​como carbono, nitrogênio e oxigênio; é preciso criar um número suficiente deles – e de todos os elementos essenciais à vida – para produzir uma ampla diversidade de moléculas orgânicas. É preciso que essas moléculas existam de maneira estável em um local onde possam experimentar um gradiente de energia, como em uma lua rochosa ou em um planeta próximo a uma estrela, ou com atividade hidrotérmica submarina suficiente para suportar certas reações químicas. E é preciso que esses locais sejam estáveis ​​o suficiente para que tudo o que conte como um processo de vida possa se autossustentar.

A metalicidade e o espectro de uma estrela

O espectro de luz visível do Sol, que nos ajuda a entender não só sua temperatura e ionização, mas a abundância dos elementos presentes. As linhas longas e grossas são hidrogênio e hélio, mas todas as outras linhas são de um elemento pesado que deve ter sido criado em uma estrela da geração anterior.

Na astronomia, todas essas condições são agrupadas por um único termo: metais. Quando olhamos para uma estrela, podemos medir a força das diferentes linhas de absorção provenientes dela, que nos dizem – em combinação com a temperatura e a ionização da estrela – quais são as abundâncias dos diferentes elementos que a formaram.

Some todas elas e você obterá a metalicidade da estrela, ou a fração dos elementos dentro dela que são mais pesados ​​do que o hidrogênio puro ou o hélio. A metalicidade do nosso Sol é algo entre 1 e 2%, mas isso pode ser excessivo para um requisito para a vida. Estrelas que possuem apenas uma fração disso, talvez tão pouco quanto 10% do conteúdo de elementos pesados ​​do Sol, ainda podem ter o suficiente dos ingredientes necessários, em todos os aspectos, para tornar a vida possível.

A importância dos aglomerados globulares

Um mapa dos aglomerados globulares mais próximos do centro da Via Láctea. Os aglomerados globulares mais próximos do centro galáctico tem um conteúdo de metal maior do que os da periferia.

Isso fica realmente interessante, por perto, quando olhamos para os aglomerados globulares. Os aglomerados globulares contêm algumas das estrelas mais antigas do Universo, com muitas delas se formando quando o Universo tinha menos de 10% de sua idade atual. Eles se formaram quando uma nuvem de gás muito grande colapsou, levando a estrelas que têm a mesma idade. Como o tempo de vida de uma estrela é determinado por sua massa, podemos olhar para as estrelas que permanecem em um aglomerado globular e determinar sua idade.

Para os mais de 100 aglomerados globulares em nossa Via Láctea, a maioria deles se formou de 12 a 13,4 bilhões de anos atrás, o que é extremamente impressionante considerando que o Big Bang foi há apenas 13,8 bilhões de anos. A maioria dos mais antigos, como você pode esperar, tem apenas 2% dos elementos pesados ​​que nosso Sol possui; eles são pobres em metal e inadequados para a vida. Mas alguns aglomerados globulares, como Messier 69, oferecem uma possibilidade tremenda.

A abundância de elementos pesados em Messier 69

O aglomerado globular Messier 69 é bastante incomum por ser incrivelmente antigo, com apenas 5% da idade atual do Universo, mas também com um teor de metal muito alto, com 22% da metalicidade do nosso Sol.

Como a maioria dos aglomerados globulares, Messier 69 é antigo. Não tem estrelas O, estrelas B, estrelas A e estrelas F; as estrelas mais massivas restantes são comparáveis ​​em massa ao nosso Sol. Com base em nossas observações, parece ter 13,1 bilhões de anos, o que significa que suas estrelas surgiram apenas 700 milhões de anos após o Big Bang.

Mas sua localização é incomum. A maioria dos aglomerados globulares são encontrados nas periferias das galáxias, mas Messier 69 é um aglomerado raro encontrado perto do centro galáctico: a apenas 5.500 anos-luz de distância. (Para efeito de comparação, nosso Sol está a cerca de 27.000 anos-luz do centro galáctico). Esta proximidade significa que mais gerações de estrelas viveram e morreram nessa região do que nos arredores da galáxia; mais supernovas, fusões de estrelas de nêutrons e explosões de raios gama ocorreram nessa região do que onde estamos; e, portanto, essas estrelas deveriam ter uma abundância muito maior de elementos pesados ​​do que outros aglomerados globulares.

Apesar de suas estrelas se formarem quando o Universo tinha apenas 5% de sua idade atual, a proximidade do aglomerado Messier 69 com o centro galáctico significa que o material a partir do qual suas estrelas se formaram já estava poluído e cheio de elementos pesados. Quando deduzimos sua metalicidade hoje, embora essas estrelas tenham se formado apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, descobrimos que elas têm 22% dos elementos pesados ​​que o Sol possui.

Os ingredientes da vida são onipresentes no Cosmos

A galáxia mais distante já descoberta no Universo conhecido, GN-z11, tem sua luz vindo até nós de 13,4 bilhões de anos atrás, quando o Universo tinha apenas 3%, sua idade atual: 407 milhões de anos. Mas existem galáxias ainda mais distantes por aí, e todos esperamos que o Telescópio Espacial James Webb as descubra.

Então essa é a receita. Faça muitas gerações de estrelas rapidamente, forme um planeta resiliente o suficiente em torno de uma das estrelas de menor massa e vida mais longa (como uma estrela G ou uma estrela K) para se proteger de qualquer supernova, explosão de raios gama ou outras catástrofes cósmicas que pode encontrar, e deixe os ingredientes fazerem o que fazem. Quer tenhamos sorte ou não, certamente há uma oportunidade de encontrar vida nos centros das galáxias mais antigas que poderíamos esperar descobrir.

Onde quer que olhemos no espaço em torno dos centros das galáxias, ou em torno de estrelas massivas em formação recente, ou nos ambientes onde o gás rico em metal formará futuras estrelas, encontramos toda uma série de moléculas orgânicas complexas. Estes variam de açúcares a aminoácidos e formato de etila (a molécula que dá às framboesas seu cheiro) a intrincados hidrocarbonetos aromáticos.

Só encontramos as moléculas precursoras da vida nas proximidades, é claro, mas isso porque não sabemos como procurar assinaturas moleculares individuais muito além de nossa própria galáxia. Mas mesmo quando olhamos em nossa vizinhança próxima, encontramos algumas evidências circunstanciais de que existia vida no Cosmos antes da Terra. Há até algumas evidências interessantes de que a vida na Terra nem mesmo começou com a Terra.

Vida na Terra: a única certeza que temos 

A Terra é o único mundo conhecido até hoje que abriga vida. Não há nenhum outro lugar, pelo menos no futuro próximo, para onde nossa espécie possa migrar. Visitar, sim. Se estabelecer, ainda não. Goste ou não, no momento, a Terra é onde temos de ficar por enquanto.

Ainda não sabemos como a vida no Universo começou, ou se a vida como a conhecemos é comum, rara ou uma proposição única no Universo. Mas podemos ter certeza de que a vida surgiu em nosso Cosmos pelo menos uma vez, e que foi construída com os elementos pesados feitos de gerações anteriores de estrelas. Se observarmos como as estrelas se formam teoricamente em jovens aglomerados de estrelas e primeiras galáxias, poderíamos atingir esse limite de abundância após várias centenas de milhões de anos; tudo o que resta é colocar esses átomos juntos em um arranjo favorável à vida.

Se formarmos as moléculas necessárias para a vida e as colocarmos em um ambiente propício à vida surgindo da não-vida, de repente o surgimento da biologia poderia ter ocorrido quando o Universo tinha apenas alguns por cento de sua idade atual. A vida mais primitiva no Universo, devemos concluir, poderia ter se tornado possível antes mesmo do Cosmos ter um bilhão de anos.