Simulação dá uma vislumbre de como era a ‘Idade das Trevas’ cósmica da formação estelar

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Créditos: NASA / ESA / UCSC / Universidade de Leiden / Equipe do HUDF09.

Por Matt Williams
Publicado no Universe Today

Para astrônomos, astrofísicos e cosmólogos, a capacidade de localizar as primeiras estrelas que se formaram em nosso Universo sempre esteve fora do alcance. Por um lado, existem os limites de nossos telescópios e observatórios atuais, que só podem enxergar até uma determinada distância.

O objeto mais distante já observado foi MACS 1149-JD, uma galáxia localizada a 13,2 bilhões de anos-luz da Terra que foi localizada na imagem do Hubble eXtreme Deep Field (XDF).

Por outro lado, até cerca de 1 bilhão de anos após o Big Bang, o Universo estava numa fase que os cosmólogos chamam de “Idade das Trevas“, que é quando o Universo estava cheio de nuvens de gás que obscureciam a luz visível e infravermelha.

Felizmente, uma equipe de pesquisadores do Centro de Astrofísica Relativística (CfRA) da Georgia Tech recentemente conduziu simulações que mostram como era a formação das primeiras estrelas.

estudo que descreve suas descobertas, publicado nos Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, foi liderado por Gen Chiaki e John Wise – um pesquisador de pós-doutorado e professor associado do CfRA (respectivamente).

Eles se juntaram a pesquisadores da Sapienza Università di Roma, do Observatório Astronômico de Roma, do Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e do Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).

Com base nos ciclos de vida e morte das estrelas, os astrofísicos teorizam que as primeiras estrelas do Universo eram muito pobres em metais. Tendo se formado cerca de 100 milhões de anos após o Big Bang, essas estrelas se desenvolveram a partir de uma sopa primordial de gás hidrogênio, hélio e vestígios de metais leves.

Esses gases entrariam em colapso para formar estrelas que eram até 1.000 vezes mais massivas que o nosso sol.

Devido ao seu tamanho, essas estrelas tiveram vida curta e provavelmente só existiram por alguns milhões de anos. Naquela época, os novos ​​elementos pesados em seus caldeirões nucleares foram então dispersos assim que as estrelas entraram em colapso e explodiram em supernovas.

Como resultado, a próxima geração de estrelas com elementos mais pesados ​​conteria carbono, o que levaria à designação de estrelas pobres em metais enriquecidas em carbono.

A composição dessas estrelas, que podem ser visíveis aos astrônomos hoje, é o resultado da nucleossíntese (fusão) de elementos mais pesados ​​da primeira geração de estrelas.

Ao estudar o mecanismo por trás da formação dessas estrelas pobres em metais, os cientistas podem deduzir o que estava acontecendo durante a ‘Idade das Trevas’ cósmica, quando as primeiras estrelas se formaram. Como Wise disse em um comunicado de imprensa do Texas Advanced Computer Center (TACC):

“Não podemos ver as primeiras gerações de estrelas. Portanto, é importante realmente olhar para esses fósseis vivos do Universo primordial, porque eles têm os vestígios das primeiras estrelas neles através dos produtos químicos que foram produzidos na supernova das primeiras estrelas. É aí que nossas simulações entram em jogo para ver isso acontecendo. Depois de executar a simulação, você pode assistir a um pequeno filme para ver de onde vêm os metais e como as primeiras estrelas e suas supernovas realmente afetam esses fósseis que vivem até os Dias de Hoje”.

Densidade, temperatura e abundância de carbono (parte superior) e o ciclo de formação de estrelas Pop III (parte inferior). Créditos: Chiaki, et al.

Para basear suas simulações, a equipe utilizou predominantemente o cluster HPC da Georgia Tech PACE. Tempo adicional foi alocado pelo Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) da Fundação Nacional da Ciência dos EUA (NSF), o supercomputador Stampede2 do TACC e o sistema Frontera financiado pela NSF (o supercomputador acadêmico mais rápido do mundo) e o cluster Comet no San Diego Supercomputer Center (SDSC).

Com a enorme quantidade de poder de processamento e armazenamento de dados fornecidos por esses clusters, a equipe foi capaz de fazer um modelo da supernova fraca das primeiras estrelas do Universo.

O que isso revelou foi que as estrelas pobres em metal que se formaram após as primeiras estrelas no Universo tornaram-se enriquecidas em carbono por meio da mistura e das partes ejetadas das primeiras supernovas.

Suas simulações também mostraram que as nuvens de gás produzidas pelas primeiras supernovas estavam semeando grãos carbonáceos, levando à formação de estrelas ‘pobres em metal em escala giga’ de baixa massa que provavelmente ainda existem hoje (e podem ser estudadas em pesquisas futuras). Chiaki falou sobre essas estrelas:

“Descobrimos que essas estrelas têm um teor de ferro muito baixo em comparação com as estrelas enriquecidas em carbono observadas com bilionésimos da abundância solar de ferro. No entanto, podemos ver a fragmentação das nuvens de gás. Isso indica que as estrelas de baixa massa se formam em um regime de baixa abundância de ferro. Essas estrelas nunca foram observadas ainda. Nosso estudo nos dá uma visão teórica da formação das primeiras estrelas”.

Um novo estudo analisou 52 galáxias submilimétricas para nos ajudar a compreender as primeiras eras do nosso Universo. Créditos: Universidade de Nottingham / Omar Almaini.

Essas investigações fazem parte de um campo crescente conhecido como “arqueologia galáctica”.

Assim como os arqueólogos contam com restos fossilizados e artefatos para aprender mais sobre sociedades que desapareceram há séculos ou milênios, os astrônomos procuram estrelas antigas para estudar a fim de aprender mais sobre aquelas que já morreram há muito tempo.

De acordo com Chiaki, o próximo passo é ir além das características de carbono de estrelas antigas e incorporar outros elementos mais pesados ​​em simulações maiores. Ao fazer isso, os arqueólogos galácticos esperam aprender mais sobre as origens e distribuição da vida em nosso Universo. Chiaki disse:

“O objetivo deste estudo é conhecer a origem de elementos, como carbono, oxigênio e cálcio. Esses elementos se concentram por meio dos ciclos repetitivos de matéria entre o meio interestelar e as estrelas. Nossos corpos e nosso planeta são feitos de carbono e oxigênio, nitrogênio e cálcio. Nosso estudo é muito importante para ajudar a entender a origem desses elementos de que somos feitos”.