Potenciais primeiros vestígios das estrelas mais antigas do Universo

Os astrónomos podem ter descoberto os antigos remanescentes químicos das primeiras estrelas a iluminar o Universo. Utilizando uma análise inovadora de um quasar distante observado pelo telescópio Gemini North de 8,1 metros no Hawaii, operado pelo NOIRLab da NSF (National Science Foundation), os cientistas encontraram uma proporção invulgar de elementos que, argumentam, só podem ser originários dos detritos produzidos pela explosão de uma estrela de primeira geração com 300 massas solares.

Esta impressão de artista mostra um campo de estrelas de População III, apenas 100 milhões de anos após o Big Bang. Os astrónomos podem ter descoberto os primeiros sinais dos seus antigos remanescentes químicos nas nuvens que rodeavam um dos quasares mais distantes alguma vez detetados. Crédito: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/SpaceEngine

As primeiras estrelas formaram-se provavelmente quando o Universo tinha apenas 100 milhões de anos, menos de 1% da sua idade atual. Estas primeiras estrelas - conhecidas como de População III - eram tão titanicamente massivas que quando terminaram as suas vidas como supernovas rasgaram-se a ela próprias, semeando o espaço interestelar com uma mistura distinta de elementos pesados. No entanto, apesar de décadas de procura diligente por parte dos astrónomos, não havia até agora evidências diretas destas estrelas primordiais.

Ao analisar um dos mais distantes quasares conhecidos (a luz deste quasar viajou durante 13,1 mil milhões de anos, o que significa que os astrónomos estão a observá-lo quando o Universo tinha apenas 700 milhões de anos. Isto corresponde a um desvio para o vermelho de 7,54) utilizando o telescópio Gemini North, um de dois telescópios idênticos que compõem o Observatório Internacional Gemini, operado pelo NOIRLab da NSF, os astrónomos pensam agora ter identificado o material remanescente da explosão de uma estrela de primeira geração. 

Usando um método inovador para deduzir os elementos químicos contidos nas nuvens que rodeiam o quasar, notaram uma composição altamente invulgar - o material continha mais de 10 vezes mais ferro do que magnésio em comparação com a proporção destes elementos encontrados no Sol.

Os cientistas pensam que a explicação mais provável para esta característica marcante é que o material foi deixado para trás por uma estrela de primeira geração que explodiu como uma supernova por instabilidade de pares. Estas versões notavelmente poderosas de explosões de supernova nunca foram testemunhadas, mas são teorizadas como sendo o fim da vida de estrelas gigantescas, com massas entre 150 e 250 vezes superiores à do Sol.

A história passo a passo de como os astrónomos podem ter descoberto os antigos remanescentes químicos das primeiras estrelas a iluminar o Universo. Utilizando uma análise inovadora de um quasar distante observado pelo telescópio Gemini North de 8,1 metros no Hawaii, operado pelo NOIRLab da NSF, os cientistas encontraram uma proporção invulgar de elementos que, argumentam, só podem ser originários dos detritos produzidos pela explosão de uma estrela de primeira geração com 300 massas solares. Crédito: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/SpaceEngine

As explosões de supernova por instabilidade de pares ocorrem quando os fotões no centro de uma estrela se transformam espontaneamente em eletrões e positrões - a contrapartida de antimatéria com carga positiva para o eletrão. Esta conversão reduz a pressão da radiação dentro da estrela, permitindo que a gravidade a ultrapasse, levando ao colapso e subsequente explosão.

Ao contrário de outras supernovas, estes acontecimentos dramáticos não deixam vestígios, tais como uma estrela de neutrões ou um buraco negro, ejetando ao invés todo o seu material para o ambiente. Existem apenas duas formas de encontrar evidências delas. A primeira é apanhar uma supernova por instabilidade de pares "no acto", o que é um acontecimento altamente improvável. A outra forma é identificar a assinatura química do material que é ejetado para o espaço interestelar.

Para a sua investigação, os astrónomos estudaram resultados de uma observação prévia feita pelo telescópio Gemini North de 8,1 metros, usando o GNIRS (Gemini Near-Infrared Spectrograph). Um espectrógrafo divide a luz emitida por objetos celestes nos seus comprimentos de onda constituintes, que transportam informação sobre quais os elementos que os objetos contêm. O Gemini é um dos poucos telescópios do seu tamanho com equipamento adequado para realizar tais observações.

A dedução das quantidades de cada elemento presente, no entanto, é um esforço complicado porque o brilho de uma linha num espectro depende de muitos outros factores para além da abundância do elemento.

Dois coautores da análise, Yuzuru Yoshii e Hiroaki Sameshima, da Universidade de Tóquio, abordaram este problema desenvolvendo um método de utilização da intensidade dos comprimentos de onda num espectro quasar para estimar a abundância dos elementos ali presentes. Foi através da utilização deste método para analisar o espectro do quasar que eles e os seus colegas descobriram a relação manifestamente baixa entre o magnésio e o ferro.

"Era óbvio para mim que o candidato à supernova, para isto, seria uma supernova por instabilidade de pares de uma estrela de População III, na qual a estrela inteira explode sem deixar qualquer remanescente", disse Yoshii. "Fiquei encantado e um pouco surpreendido ao descobrir que uma supernova por instabilidade de pares de uma estrela com cerca de 300 vezes a massa do Sol fornece uma proporção de magnésio para ferro que concorda com o baixo valor que derivámos para o quasar".

Já foram anteriormente efetuadas buscas por evidências químicas de uma geração anterior de estrelas de alta massa de População III entre as estrelas no halo da Via Láctea e pelo menos uma identificação preliminar foi apresentada em 2014. Yoshii e os seus colegas, contudo, pensam que o novo resultado proporciona a assinatura mais clara de uma supernova por instabilidade de pares com base na relação extremamente baixa de abundância de magnésio e ferro apresentada neste quasar.

Se esta é, de facto, a prova de uma das primeiras estrelas e do remanescente de uma supernova por instabilidade de pares, a descoberta ajudará a avançar a nossa imagem de como a matéria no Universo veio a evoluir para o que é hoje, incluindo nós. Para meticulosamente testar esta interpretação, são necessárias muitas mais observações para ver se outros objetos têm características semelhantes.

Mas também podemos ser capazes de encontrar as assinaturas químicas mais perto de casa. Embora as estrelas de População III de alta massa tivessem desaparecido há muito, as impressões digitais químicas que deixam no seu material ejetado podem durar muito mais tempo e perdurar ainda hoje. Isto significa que os astrónomos podem ser capazes de encontrar as assinaturas de explosões de supernova por instabilidade de pares de estrelas há muito desaparecidas ainda impressas em objetos no nosso Universo local.

"Sabemos agora o que procurar; temos um caminho", disse o coautor Timothy Beers, astrónomo da Universidade de Notre Dame. "Se isto aconteceu localmente no Universo primitivo, o que deve ter efetivamente ocorrido, então esperamos encontrar mais evidências".

Fonte: Astronomia OnLine