Astrônomos dizem ter avistado as primeiras estrelas do universo

A teoria diz que as estrelas da “População III” trouxeram luz ao cosmos. O Telescópio Espacial James Webb pode ter acabado de avistá-los.

As maiores estrelas do universo atual são algumas centenas de vezes mais massivas que o nosso sol. As primeiras estrelas poderiam ter até 100.000 vezes a massa do sol. 

Um grupo de astrônomos analisando dados do Telescópio Espacial James Webb (James Webb) vislumbrou luz de hélio ionizado em uma galáxia distante, o que pode indicar a presença da primeira geração de estrelas do universo. Essas estrelas de “População III” há muito procuradas e inadequadamente nomeadas teriam sido enormes bolas de hidrogênio e hélio esculpidas a partir do gás primordial do universo. 

Os teóricos começaram a imaginar essas primeiras bolas de fogo na década de 1970, levantando a hipótese de que, após curtas vidas, elas explodiram como supernovas, forjando elementos mais pesados e lançando-os no cosmos. Esse material estelar mais tarde deu origem a estrelas da População II mais abundantes em elementos pesados, então estrelas ainda mais ricas da População I como o nosso sol, bem como planetas, asteróides, cometas e, eventualmente, a própria vida.

“Nós existimos, portanto sabemos que deve ter havido uma primeira geração de estrelas”, disse Rebecca Bowler, astrônoma da Universidade de Manchester, no Reino Unido.

Agora Xin Wang, um astrônomo da Academia Chinesa de Ciências em Pequim, e seus colegas acham que os encontraram. “É realmente surreal”, disse Wang. A confirmação ainda é necessária; o artigo da equipe, publicado no servidor de pré-impressão arxiv.org em 8 de dezembro, aguarda revisão por pares na Nature.

Mesmo que os pesquisadores estejam errados, uma detecção mais convincente das primeiras estrelas pode não estar longe. Acredita-se que o James Webb, que está transformando vastas áreas da astronomia, seja capaz de perscrutar longe o suficiente no espaço e no tempo para vê-los. O gigantesco telescópio flutuante já detectou galáxias distantes cujo brilho incomum sugere que elas podem conter estrelas da População III. E outros grupos de pesquisa que desejam descobrir as estrelas com o James Webb estão analisando seus próprios dados agora. “Esta é absolutamente uma das questões mais quentes”, disse Mike Norman, físico da Universidade da Califórnia, em San Diego, que estuda as estrelas em simulações de computador.

Uma descoberta definitiva permitiria aos astrônomos começar a investigar o tamanho e a aparência das estrelas, quando elas existiram e como, na escuridão primordial, elas se iluminaram repentinamente.

“É realmente uma das mudanças mais fundamentais na história do universo”, disse Bowler.

População III

Cerca de 400.000 anos após o Big Bang, elétrons, prótons e nêutrons se estabilizaram o suficiente para se combinarem em átomos de hidrogênio e hélio. À medida que a temperatura continuava caindo, a matéria escura gradualmente se aglomerava, puxando os átomos com ela. Dentro dos aglomerados, hidrogênio e hélio foram esmagados pela gravidade, condensando-se em enormes bolas de gás até que, uma vez que as bolas ficaram densas o suficiente, a fusão nuclear de repente acendeu em seus centros. As primeiras estrelas nasceram. 

O astrônomo alemão Walter Baade categorizou as estrelas de nossa galáxia nos tipos I e II em 1944. O primeiro inclui nosso sol e outras estrelas ricas em metais; o último contém estrelas mais antigas feitas de elementos mais leves. A ideia de estrelas da População III entrou na literatura décadas depois. Em um artigo de 1984 que elevou seu perfil, o astrofísico britânico Bernard Carr descreveu o papel vital que essa geração original de estrelas pode ter desempenhado no início do universo. “Seu calor ou explosões poderiam ter reionizado o universo”, escreveram Carr e seus colegas, “… e sua produção de elementos pesados poderia ter produzido uma explosão de enriquecimento pré-galáctico”, dando origem a estrelas posteriores mais ricas em elementos pesados.

Carr e seus co-autores estimaram que as estrelas poderiam ter crescido em tamanhos imensos, medindo algo entre algumas centenas e 100.000 vezes mais massivas que o nosso Sol, devido ao grande volume de hidrogênio e gás hélio disponível no início do universo.

As estrelas mais pesadas da escala, as chamadas estrelas supermassivas, seriam relativamente frias, vermelhas e inchadas, com tamanhos que poderiam abranger quase todo o nosso sistema solar. Variantes mais densas e de tamanho mais modesto das estrelas da População III teriam um brilho azul quente, com temperaturas de superfície de cerca de 50.000 graus Celsius, em comparação com apenas 5.500 graus do nosso sol.

Em 2001, simulações de computador lideradas por Norman explicaram como estrelas tão grandes poderiam se formar. No universo atual, nuvens de gás se fragmentam em muitas pequenas estrelas. Mas as simulações mostraram que as nuvens de gás no início do universo, sendo muito mais quentes que as nuvens modernas, não podiam se condensar tão facilmente e, portanto, eram menos eficientes na formação de estrelas. Em vez disso, nuvens inteiras entrariam em colapso em uma única estrela gigante.

Suas imensas proporções significavam que as estrelas tinham vida curta, durando no máximo alguns milhões de anos. (Estrelas mais massivas queimam seu combustível disponível mais rapidamente.) Como tal, as estrelas da População III não teriam durado muito na história do universo – talvez algumas centenas de milhões de anos quando os últimos bolsões de gás primordial se dissiparam.

As incertezas são muitas. Quão massivas essas estrelas realmente se tornaram? Quão tarde no universo eles existiram? E quão abundantes eles eram no início do universo? “São estrelas completamente diferentes das estrelas da nossa própria galáxia”, disse Bowler. “Eles são objetos tão interessantes.”

Por estarem tão distantes e existirem tão brevemente, encontrar evidências para eles tem sido um desafio. No entanto, em 1999, astrônomos da Universidade do Colorado, em Boulder, previram que as estrelas deveriam produzir uma assinatura reveladora: frequências específicas de luz emitidas pelo hélio II, ou átomos de hélio que estão perdendo um elétron, quando o elétron remanescente de cada átomo se move entre os níveis de energia. “A emissão de hélio não é realmente originária de dentro das próprias estrelas”, explicou James Trussler, astrônomo da Universidade de Manchester; em vez disso, foi criado quando fótons energéticos das superfícies quentes das estrelas se transformaram em gás ao redor da estrela.

“É uma previsão relativamente simples”, disse Daniel Schaerer, da Universidade de Genebra, que expandiu a ideia em 2002. A caçada começou. 

Encontrando as primeiras estrelas

Em 2015, Schaerer e seus colegas pensaram que poderiam ter encontrado algo. Eles detectaram um possível indício de uma assinatura de hélio II em uma galáxia distante e primitiva que pode ter sido ligada a um grupo de estrelas da População III. Visto como apareceu 800 milhões de anos após o Big Bang, a galáxia parecia conter a primeira evidência das primeiras estrelas no universo.

Trabalhos posteriores liderados por Bowler contestaram as descobertas. “Encontramos evidências de emissão de oxigênio da fonte. Isso descartou um cenário puro de População III”, disse ela. Um grupo independente falhou em detectar a linha de hélio II vista pela equipe inicial. “Não estava lá”, disse Bowler.

Outros poderiam se sair melhor?

Os astrônomos depositaram suas esperanças no James Webb, lançado em dezembro de 2021. O telescópio, com seu enorme espelho e sensibilidade sem precedentes à luz infravermelha, pode observar mais facilmente o universo primitivo do que qualquer telescópio anterior. (Como a luz leva tempo para viajar aqui, o telescópio vê objetos fracos e distantes como eles pareciam há muito tempo.) O telescópio também pode fazer espectroscopia, dividindo a luz em seus comprimentos de onda componentes, o que permite procurar a marca registrada do hélio II da população III estrelas.

A equipe de Wang analisou dados de espectroscopia para mais de 2.000 alvos do James Webb. Uma delas é uma galáxia distante vista como era apenas 620 milhões de anos após o Big Bang. Segundo os pesquisadores, a galáxia é dividida em duas partes. A análise deles mostrou que metade parece ter a assinatura chave do hélio II misturada com a luz de outros elementos, potencialmente apontando para uma população híbrida de milhares de estrelas da População III e outras. A espectroscopia da segunda metade da galáxia ainda não foi feita, mas seu brilho indica um ambiente mais rico em População III.

“Estamos tentando solicitar o tempo de observação do James Webb no próximo ciclo para cobrir toda a galáxia”, disse Wang, a fim de “ter uma chance de confirmar esses objetos”.

A galáxia é um “coça-cabeça”, de acordo com Norman. Se os resultados do hélio II resistirem ao escrutínio, disse ele, “uma possibilidade é um aglomerado de estrelas da População III”. No entanto, ele não tem certeza se as estrelas da População III e as estrelas posteriores poderiam se misturar tão facilmente.

Daniel Whalen, um astrofísico da Universidade de Portsmouth, foi igualmente cauteloso. “Definitivamente, pode ser evidência de uma mistura de estrelas da População III e da População II em uma galáxia”, disse ele. No entanto, embora esta seja “a primeira evidência direta” das primeiras estrelas do universo, disse Whalen, “não é uma evidência clara”. Outros objetos cósmicos muito quentes podem produzir uma assinatura similar de hélio II, incluindo discos escaldantes de material que giram em torno de buracos negros.

Wang acha que sua equipe pode descartar um buraco negro como a fonte porque não detectaram assinaturas específicas de oxigênio, nitrogênio ou carbono ionizado que seriam esperadas nesse caso. No entanto, o trabalho ainda aguarda revisão por pares e, mesmo assim, observações de acompanhamento precisarão confirmar suas possíveis descobertas. 

Quente na trilha

Outros grupos que usam o James Webb também estão caçando as primeiras estrelas.

Além de procurar pelo hélio II, outro método de busca, proposto pelo astrônomo Rogier Windhorst da Arizona State University e colegas em 2018, é usar a gravidade de aglomerados gigantes de galáxias para ver estrelas individuais no início do universo. Usar um objeto massivo como um aglomerado para distorcer a luz e ampliar objetos mais distantes (uma técnica conhecida como lente gravitacional) é uma maneira comum de os astrônomos obterem visões de galáxias distantes. Windhorst acreditava que mesmo estrelas individuais da População III se aproximando da borda de um aglomerado pesado “poderiam, em princípio, sofrer uma ampliação quase infinita” e aparecer, disse ele.

Windhorst lidera um programa James Webb que está tentando a técnica. “Estou bastante confiante de que em um ano ou dois teremos visto alguns”, disse ele. “Já temos alguns candidatos.” Da mesma forma, Eros Vanzella, astrônomo do Instituto Nacional de Astrofísica da Itália, está liderando um programa que estuda um aglomerado de 10 ou 20 estrelas candidatas à População III usando lentes gravitacionais. “Estamos apenas brincando com os dados agora”, disse ele.

E ainda existe a tentadora possibilidade de que algumas das galáxias inesperadamente brilhantes já observadas pelo James Webb no início do universo possam dever seu brilho às massivas estrelas da População III. “Essas são exatamente as épocas em que esperamos que as primeiras estrelas estejam se formando”, disse Vanzella. “Espero… que nas próximas semanas ou meses, as primeiras estrelas sejam detectadas.”

Fonte: quantamagazine.org