Arqueologia estelar: pistas químicas revelam segredos de supernovas das primeiras estrelas massivas do universo

Cientistas da Academia Chinesa de Ciências e colaboradores internacionais descobriram uma estrela, LAMOST J1010+2358, que fornece a primeira evidência tangível de Supernovas de Instabilidade de Pares (PISNe) das primeiras estrelas do Universo. 

Esta descoberta, publicada na Nature, lança luz sobre a evolução de estrelas massivas e a função de massa inicial do Universo primitivo.

Fóssil estelar: impressões de supernovas de instabilidade de pares de primeiras estrelas muito massivas. Crédito: NAOC 

As primeiras estrelas iluminaram o Universo durante a Aurora Cósmica e puseram fim à “idade das trevas” cósmica que se seguiu ao Big Bang. No entanto, a distribuição de sua massa é um dos grandes mistérios não resolvidos do cosmos. 

Simulações numéricas da formação das primeiras estrelas estimam que a massa das primeiras estrelas atingiu várias centenas de massas solares. Entre eles, as primeiras estrelas com massas entre 140 e 260 massas solares acabaram como supernovas de instabilidade de pares (PISNe). PISNe são bem diferentes das supernovas comuns (ou seja, supernovas Tipo II e Tipo Ia) e teriam imprimido uma assinatura química única na atmosfera das estrelas da próxima geração. No entanto, tal assinatura não foi encontrada. 

Um novo estudo liderado pelo Prof. Gang Zhao dos Observatórios Astronômicos Nacionais da Academia Chinesa de Ciências (NAOC) identificou uma estrela quimicamente peculiar (LAMOST J1010 + 2358) no halo galáctico como evidência clara da existência de PISNe de muito massivo primeiras estrelas no início do Universo, com base no levantamento do Telescópio Espectroscópico de Fibra Multiobjeto da Grande Área do Céu (LAMOST) e observação de espectros de alta resolução de acompanhamento pelo Telescópio Subaru. Foi confirmado que esta estrela se formou na nuvem de gás dominada pelos rendimentos de um PISN com 260 massas solares. 

A equipe também inclui pesquisadores dos Observatórios de Yunnan do CAS, do Observatório Astronômico Nacional do Japão e da Universidade de Monash, na Austrália. 

Este estudo foi publicado online na Nature em 7 de junho de 2023

Comparação de abundâncias observadas e modelos. As abundâncias químicas de J1010+2358 comparadas com as previsões de três modelos teóricos de supernova. As barras de erro são incertezas de 1 sigma das abundâncias observadas. Crédito: NAOC 

A equipe de pesquisa realizou observações espectroscópicas de alta resolução de acompanhamento para J1010+2358 com o telescópio Subaru e derivou abundâncias para mais de dez elementos. A característica mais significativa desta estrela é sua abundância extremamente baixa de sódio e cobalto. Sua relação sódio-ferro é inferior a 1/100 do valor solar. Esta estrela também exibe uma variação de abundância muito grande entre os elementos de número de carga ímpar e par, como sódio/magnésio e cobalto/níquel. 

“A peculiar variação ímpar-par, juntamente com deficiências de sódio e elementos α nesta estrela, são consistentes com a previsão de PISN primordial de estrelas de primeira geração com 260 massas solares”, disse o Dr. Qianfan Xing, primeiro autor do estudo. estudar. 

A descoberta de J1010+2358 é uma evidência direta da instabilidade hidrodinâmica devido à produção de pares elétron-pósitron na teoria da evolução estelar muito massiva. A criação de pares elétron-pósitron reduz a pressão térmica dentro do núcleo de uma estrela muito massiva e leva a um colapso parcial. 

“Ele fornece uma pista essencial para restringir a função de massa inicial no início do universo”, disse o Prof. Gang Zhao, autor correspondente do estudo. “Antes deste estudo, nenhuma evidência de supernovas de estrelas tão massivas foi encontrada nas estrelas pobres em metal.” 

Além disso, a abundância de ferro de LAMOST J1010+2358 ([Fe/H] = -2,42) é muito maior do que as estrelas mais pobres em metais no halo galáctico, sugerindo que as estrelas de segunda geração formadas no gás dominado por PISN podem ser mais rico em metais do que o esperado. 

“Um dos santos graais da busca por estrelas pobres em metais é encontrar evidências para essas supernovas de instabilidade de pares iniciais”, disse o professor Avi Loeb, ex-presidente do Departamento de Astronomia da Universidade de Harvard. 

O professor Timothy Beers, reitor de astrofísica da Universidade de Notre Dame, comentou sobre os resultados: “Este artigo apresenta o que é, que eu saiba, a primeira associação definitiva de uma estrela do halo galáctico com um padrão de abundância originário de um PISN.”

Fonte: scitechdaily.com