O telescópio espacial romano da NASA pode ajudar os pesquisadores a detectar as primeiras estrelas do universo

As primeiras estrelas a se formarem no universo eram muito diferentes do nosso Sol. Conhecidas pelos astrônomos (um tanto paradoxalmente) como estrelas de População III, ou Pop III, elas eram feitas quase inteiramente de hidrogênio e hélio. 

Acredita-se que eles tenham sido muito maiores, mais quentes e mais massivos que o nosso Sol. Como resultado, as estrelas do Pop III usam seu combustível mais rapidamente e têm vida útil mais curta. 

Esta impressão de artista mostra uma estrela gigante a ser despedaçada por um buraco negro. O gás da estrela é puxado para o disco de acreção do buraco negro. A lente gravitacional do buraco negro curva a luz do lado mais afastado do disco, fazendo com que pareça envolver-se à volta e sobre o buraco negro. As estrelas da População III, as primeiras estrelas que se formaram, são estrelas compostas principalmente por hidrogénio e hélio. Pensa-se que eram muito maiores, mais quentes e mais massivas do que o nosso Sol. Usando o próximo Telescópio Espacial Roman da NASA, e fenómenos brilhantes e energéticos conhecidos como eventos de perturbação de marés, os astrónomos teorizam que seremos capazes de localizar dúzias destas estrelas. Crédito: Ralf Crawford (STScI)

As estrelas Pop III, que surgiram nas primeiras centenas de milhões de anos após o big bang, são cruciais para a compreensão do desenvolvimento do universo. Essas estrelas foram as fornalhas nucleares onde foram gerados os primeiros elementos mais pesados ​​que o hélio, que os astrônomos chamam de metais, e, em última análise, são a razão dos complexos sistemas de galáxias do universo atual.

Nenhuma estrela Pop III é encontrada ao nosso redor hoje, então para aprender sobre elas devemos olhar para o início do universo. O Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA fornecerá um campo de visão panorâmico 200 vezes maior do que a visão infravermelha do céu do Telescópio Espacial Hubble da NASA e examinará o céu 1.000 vezes mais rápido. Como resultado, Roman pode ser uma ferramenta fundamental para ajudar os astrónomos a observar esta rara primeira geração de estrelas após o seu lançamento, em maio de 2027.

Estrelas desfiadas

A nova abordagem não irá procurar estrelas intactas. Em vez disso, os astrónomos irão procurar sinais de estrelas Pop III que tenham sido destruídas por buracos negros, criando um fenómeno brilhante e energético conhecido como evento de perturbação de marés (TDE).

Se uma estrela se aproximar o suficiente de um buraco negro, a estrela experimentará marés gravitacionais fortes o suficiente para perturbá-la completamente. Parte do material da estrela rompida é então coletada em um disco de acreção, onde processos físicos complexos fazem com que ela brilhe o suficiente para ser vista a bilhões de anos-luz de distância.

"Como sabemos que os buracos negros provavelmente existiam nessas épocas iniciais , capturá-los enquanto devoravam essas primeiras estrelas pode nos oferecer a melhor chance de detectar indiretamente estrelas Pop III", observou Priyamvada Natarajan, da Universidade de Yale, co-autor do livro. o estudo.

Os TDEs geram luz em muitos comprimentos de onda, incluindo raios X, rádio, ultravioleta (UV) e luz óptica. Quanto mais olhamos para o universo primitivo, onde residem principalmente essas estrelas primitivas, mais a luz óptica e UV é desviada para o vermelho , ou esticada pelo universo em expansão, em comprimentos de onda do infravermelho próximo visíveis para Roman. 

Não só o comprimento de onda da luz se estende – o mesmo acontece com a escala de tempo observada do TDE. Tal como uma estrela em explosão ou uma supernova, um TDE é um evento transitório que aumenta rapidamente em brilho e depois diminui gradualmente ao longo do tempo. Mas devido ao grande desvio para o vermelho destes eventos, um TDE Pop III aumentaria ao longo de centenas a milhares de dias, enquanto o seu declínio duraria mais de uma década.

“As escalas de tempo de evolução dos TDEs Pop III são muito longas, o que é uma característica que pode distinguir um TDE Pop III de outros transientes, incluindo supernovas e TDEs de estrelas da geração atual como o nosso Sol”, disse Rudrani Kar Chowdhury, pós-doutorado da Universidade. de Hong Kong e primeiro autor do estudo.

“Como duram mais tempo, um TDE Pop III pode ser mais fácil de detectar, mas pode ser mais difícil de identificar como transitório”, acrescentou a coautora Jane Dai, professora de astrofísica na Universidade de Hong Kong. “Os cientistas precisariam projetar a estratégia de pesquisa correta.”

Uma caça coordenada

Embora o Telescópio Espacial James Webb da NASA seja poderoso o suficiente para detectar e estudar TDEs no universo primitivo, seu campo de visão é muito pequeno para torná-lo um caçador eficiente de TDEs. Das principais pesquisas comunitárias de Roman , a mais promissora para encontrar TDEs é a pesquisa High Latitude Wide Area, que visa cobrir aproximadamente 2.000 graus quadrados do céu fora do plano da nossa galáxia.

“Roman pode ir muito fundo e ainda assim cobrir uma área muito grande do céu. Isso é o que é necessário para detectar uma amostra significativa destes TDEs”, disse Dai.

Webb seria útil para observações de acompanhamento, particularmente com seu conjunto de ferramentas espectroscópicas. Assim que Roman detectar esses TDEs, os instrumentos de Webb poderão identificar se algum metal está presente.

“Como essas estrelas são compostas apenas de hidrogênio e hélio, não veremos nenhuma linha metálica no espectro dos objetos, enquanto nos espectros de TDEs de estrelas regulares podemos ver várias linhas metálicas”, observou Kar Chowdhury.

Com esta estratégia proposta para identificar estrelas Pop III, há uma oportunidade de explorar mais mistérios do universo, abrindo inúmeras oportunidades para compreender melhor não apenas o universo primitivo, mas também as galáxias mais próximas de casa.

Esta pesquisa foi publicada no Astrophysical Journal Letters .

Fonte: stsci.edu