Estimando a idade da Via Láctea

 As observações de uma equipe internacional de astrónomos com o espectrómetro UVES montado no Very Large Telescope do ESO no Observatório do Paranal (Chile) lançaram uma nova luz sobre a primeira época da Via Láctea.  A primeira medição do conteúdo de berílio em duas estrelas em um aglomerado globular (NGC 6397) – levando a tecnologia astronômica atual ao limite – tornou possível estudar a fase inicial entre a formação da primeira geração de estrelas no leito leitoso Way e a deste aglomerado estelar. Descobriu-se que esse intervalo de tempo era de 200 a 300 milhões de anos. A idade das estrelas em NGC 6397, determinada por meio de modelos de evolução estelar, é de 13.400 ? 800 milhões de anos. Somando os dois intervalos de tempo dá a idade da Via Láctea, 13.600 ? 800 milhões de anos. 

A melhor estimativa atual da idade do Universo , como deduzida, por exemplo, das medições do Fundo Cósmico de Microondas, é de 13.700 milhões de anos. As novas observações indicam, portanto, que a primeira geração de estrelas na Via Láctea se formou logo após o final da “Idade das Trevas” de aproximadamente 200 milhões de anos que sucedeu o Big Bang. 

A idade da Via Láctea

Quantos anos tem a Via Láctea? Quando surgiram as primeiras estrelas da nossa galáxia?

Uma compreensão adequada da formação e evolução do sistema da Via Láctea é crucial para o nosso conhecimento do Universo. No entanto, as observações relacionadas estão entre as mais difíceis, mesmo com os telescópios mais poderosos disponíveis, pois envolvem um estudo detalhado de objetos celestes antigos, remotos e principalmente fracos. 

Aglomerados globulares e as idades das estrelas 

A astrofísica moderna é capaz de medir as idades de certas estrelas, ou seja, o tempo decorrido desde que foram formadas por condensação em enormes nuvens interestelares de gás e poeira. Algumas estrelas são muito “jovens” em termos astronômicos, com apenas alguns milhões de anos, como as da vizinha Nebulosa de Órion. O Sol e seu sistema planetário se formaram há cerca de 4.560 milhões de anos, mas muitas outras estrelas se formaram muito antes. Algumas das estrelas mais antigas da Via Láctea são encontradas em grandes aglomerados estelares, em particular em “aglomerados globulares” (PR Photo 23a/04), assim chamados devido à sua forma esferoidal. 

Estrelas pertencentes a um aglomerado globular nasceram juntas, da mesma nuvem e ao mesmo tempo. Como estrelas de massas diferentes evoluem em taxas diferentes, é possível medir a idade dos aglomerados globulares com uma precisão razoavelmente boa. Os mais antigos têm mais de 13.000 milhões de anos. 

Ainda assim, essas estrelas aglomeradas não foram as primeiras estrelas a se formarem na Via Láctea. Sabemos disso porque contêm pequenas quantidades de certos elementos químicos que devem ter sido sintetizados em uma geração anterior de estrelas massivas que explodiram como supernovas após uma vida curta e energética. O material processado foi depositado nas nuvens das quais as próximas gerações de estrelas foram feitas, cf. ESO PR 03/01. 

Apesar das buscas intensas, até agora não foi possível encontrar estrelas menos massivas desta primeira geração que ainda podem estar brilhando hoje. Portanto, não sabemos quando essas primeiras estrelas foram formadas. Por enquanto, podemos apenas dizer que a Via Láctea deve ser mais antiga que as estrelas mais antigas do aglomerado globular. 

Mas quanto mais velho?

Berílio ao resgate

O que os astrofísicos gostariam de ter é, portanto, um método para medir o intervalo de tempo entre a formação das primeiras estrelas da Via Láctea (das quais muitas rapidamente se tornaram supernovas) e o momento em que as estrelas em um aglomerado globular de idade se formaram. A soma desse intervalo de tempo e a idade dessas estrelas seria então a idade da Via Láctea. 

Novas observações com o VLT no Observatório do Paranal do ESO produziram agora um avanço nesta direção. O elemento mágico é “berílio”! 

O berílio é um dos elementos mais leves – o núcleo do isótopo mais comum e estável (berílio-9) consiste em quatro prótons e cinco nêutrons. Apenas hidrogênio, hélio e lítio são mais leves. Mas enquanto esses três foram produzidos durante o Big Bang, e enquanto a maioria dos elementos mais pesados ​​foi produzida mais tarde no interior das estrelas, o Berílio-9 só pode ser produzido por “espalação cósmica”. Ou seja, pela fragmentação de núcleos mais pesados ​​e velozes – originados nas mencionadas explosões de supernovas e referidos como energéticos “raios cósmicos galácticos” – quando colidem com núcleos leves (principalmente prótons e partículas alfa, ou seja, núcleos de hidrogênio e hélio) no meio interestelar. 

Raios cósmicos galácticos e o relógio de Berílio

Os raios cósmicos galácticos viajaram por toda a Via Láctea primitiva, guiados pelo campo magnético cósmico. A produção resultante de Berílio foi bastante uniforme dentro da galáxia. A quantidade de Berílio aumentou com o tempo e é por isso que pode funcionar como um “relógio cósmico”. 

Quanto maior o tempo decorrido entre a formação das primeiras estrelas (ou, mais corretamente, seu rápido desaparecimento em explosões de supernovas) e a formação das estrelas do aglomerado globular, maior foi o teor de berílio no meio interestelar a partir do qual elas foram formadas. . Assim, supondo que este Berílio seja preservado na atmosfera estelar, quanto mais Berílio for encontrado em tal estrela, maior será o intervalo de tempo entre a formação das primeiras estrelas e desta estrela. 

O Berílio pode, portanto, nos fornecer informações únicas e cruciais sobre a duração dos estágios iniciais da Via Láctea. 

Uma observação muito difícil

Até agora, tudo bem. Os fundamentos teóricos para este método de datação foram desenvolvidos durante as últimas três décadas e tudo o que é necessário é então medir o conteúdo de Berílio em algumas estrelas de aglomerados globulares. 

Mas isso não é tão simples quanto parece! O principal problema é que o berílio é destruído em temperaturas acima de alguns milhões de graus. Quando uma estrela evolui para a fase gigante luminosa, ocorre um movimento violento (convecção), o gás na atmosfera estelar superior entra em contato com o gás interior quente no qual todo o berílio foi destruído e o conteúdo inicial de berílio na atmosfera estelar é portanto, significativamente diluída. 

Para usar o relógio Berílio, é necessário, portanto, medir o conteúdo desse elemento em estrelas menos massivas e menos evoluídas do aglomerado globular. E essas chamadas “estrelas de desligamento (TO)” são intrinsecamente fracas. 

Na verdade, o problema técnico a ser superado é triplo: primeiro, todos os aglomerados globulares estão bem distantes e, como as estrelas a serem medidas são intrinsecamente fracas, elas parecem bastante fracas no céu. Mesmo em NGC6397, o segundo aglomerado globular mais próximo, as estrelas TO têm uma magnitude visual de ~16, ou 10.000 vezes mais fraca do que a estrela mais fraca visível a olho nu.

Em segundo lugar, existem apenas duas assinaturas de berílio (linhas espectrais) visíveis no espectro estelar e como essas estrelas antigas contêm comparativamente pouco berílio, essas linhas são muito fracas, especialmente quando comparadas às linhas espectrais vizinhas de outros elementos. E terceiro, as duas linhas de Berílio estão situadas em uma região espectral pouco explorada no comprimento de onda de 313 nm, ou seja, Portanto, não é de admirar que tais observações nunca tivessem sido feitas antes, as dificuldades técnicas eram simplesmente insuperáveis. 

VLT e UVES fazem o trabalho

Usando o espectrômetro UVES de alto desempenho no telescópio Kuyen de 8,2 m do Very Large Telescope do ESO no Observatório do Paranal (Chile), que é particularmente sensível à luz ultravioleta, uma equipe do ESO e astrônomos italianos conseguiu obter as primeiras medições confiáveis ​​do conteúdo de Berílio em duas estrelas TO (denotadas “A0228” e “A2111”) no aglomerado globular NGC 6397 (PR Photo 23b/04). Localizado a uma distância de cerca de 7.200 anos-luz na direção de um rico campo estelar na constelação sul de Ara, é um dos dois aglomerados estelares mais próximos deste tipo; o outro é Messier 4. 

As observações foram feitas durante várias noites ao longo de 2003. Totalizando mais de 10 horas de exposição em cada uma das estrelas de 16ª magnitude, levaram o VLT e o UVES ao limite técnico. Refletindo sobre o progresso tecnológico, o líder da equipe, o astrônomo do ESO Luca Pasquini, está exultante: “Apenas alguns anos atrás, qualquer observação como essa teria sido impossível e permaneceu apenas o sonho de um astrônomo!” 

Os espectros resultantes (PR Photo 23c/04) das estrelas fracas mostram as assinaturas fracas de íons Berílio (Be II). Comparar o espectro observado com uma série de espectros sintéticos com diferentes teores de berílio (em astrofísica: “abundância”) permitiu aos astrônomos encontrar o melhor ajuste e, assim, medir a quantidade muito pequena de berílio nessas estrelas: para cada átomo de berílio existem cerca de 2.224.000.000.000 átomos de hidrogênio. 

Linhas de berílio também são vistas em outra estrela do mesmo tipo dessas estrelas, HD 218052, cf. Foto PR 23c/04. No entanto, não é um membro de um aglomerado e sua idade não é tão conhecida quanto a das estrelas do aglomerado. Seu conteúdo de berílio é bastante semelhante ao das estrelas do aglomerado, indicando que essa estrela de campo nasceu mais ou menos na mesma época que o aglomerado. 

Do Big Bang até agora

De acordo com as melhores teorias atuais de espalação, a quantidade medida de Berílio deve ter se acumulado ao longo de 200 – 300 milhões de anos. O astrônomo italiano Daniele Galli, outro membro da equipe, faz o cálculo: “Então agora sabemos que a idade da Via Láctea é muito mais do que a idade daquele aglomerado globular – nossa galáxia deve, portanto, ter 13.600 ? 800 milhões de anos. Esta é a primeira vez que obtivemos uma determinação independente deste valor fundamental!”.

Dentro das incertezas dadas, esse número também se encaixa muito bem com a estimativa atual da idade do Universo, 13.700 milhões de anos, que é o tempo decorrido desde o Big Bang. Parece, portanto, que a primeira geração de estrelas na Via Láctea foi formada na época em que a “Idade das Trevas” terminou, agora acredita-se que tenha ocorrido cerca de 200 milhões de anos após o Big Bang. 

Parece que o sistema em que vivemos pode de fato ser um dos membros “fundadores” da população de galáxias no Universo.

Fonte: universetoday.com