JWST pode ter descoberto um novo tipo de estrela alimentada por matéria escura

 Astrônomos usando o Telescópio Espacial James Webb podem ter encontrado as primeiras “estrelas escuras” do universo.

Novas observações do JWST sugerem que alguns dos primeiros corpos luminosos do universo não eram estrelas de fusão comuns, mas sim estrelas escuras supermassivas – vastas estruturas de hidrogênio e hélio alimentadas pela aniquilação da matéria escura. Uma equipe agora relata quatro candidatos ultradistantes cujos espectros e morfologia se encaixam nessa imagem, incluindo uma característica provisória de absorção de íons de hélio (He II 1640 Å). Se confirmados, esses objetos podem ajudar a explicar as fontes iniciais surpreendentemente brilhantes do JWST e a rápida ascensão de buracos negros supermassivos. (Conceito artístico). Crédito: SciTechDaily.com

Nas primeiras centenas de milhões de anos após o Big Bang , as primeiras estrelas do universo tomaram forma a partir de nuvens imaculadas de hidrogênio e hélio. Novas observações do Telescópio Espacial James Webb (JWST) indicam que alguns desses objetos primordiais podem ter diferido marcadamente das estrelas comuns (movidas a fusão nuclear) que os astrônomos observam e catalogam há milênios.

Um estudo recente liderado por Cosmin Ilie da Universidade Colgate, em colaboração com Shafaat Mahmud (Colgate '26), Jillian Paulin (Colgate '23) da UPenn e Katherine Freese da Universidade do Texas em Austin, relata quatro objetos extremamente distantes cujos espectros e morfologia observados são consistentes com estrelas escuras supermassivas.

“Estrelas escuras supermassivas são nuvens extremamente brilhantes, gigantes, porém fofas, feitas principalmente de hidrogênio e hélio, que são protegidas contra o colapso gravitacional pelas pequenas quantidades de matéria escura autodestrutiva dentro delas”, disse Ilie.

De acordo com os pesquisadores, estrelas escuras supermassivas e os buracos negros que elas deixam para trás podem ajudar a resolver duas questões ativas na astronomia: 1) por que o JWST está encontrando galáxias extremamente brilhantes, porém compactas, a grandes distâncias que parecem mais comuns do que o esperado, e 2) como os buracos negros supermassivos que alimentam os quasares mais distantes se formaram.

Da Teoria à Observação

Freese desenvolveu a teoria original por trás das estrelas escuras com Doug Spolyar e Paolo Gondolo. Eles publicaram seu primeiro artigo revisado por pares sobre essa teoria na revista Physical Review Letters em 2008. Nesse artigo, eles imaginaram como essas estrelas escuras poderiam ter levado a buracos negros supermassivos no universo primordial. Em uma publicação de 2010 no Astrophysical Journal , Freese, Ilie, Spolyar e colaboradores identificaram dois mecanismos pelos quais estrelas escuras podem crescer e se tornar supermassivas e previram que elas poderiam semear os buracos negros supermassivos que alimentam muitos dos quasares mais distantes do Universo.

Embora a matéria escura represente cerca de 25% do universo, sua natureza tem iludido os cientistas. Atualmente, acredita-se amplamente que a matéria escura consiste em um novo tipo de partícula elementar, ainda não observada ou detectada. Embora a busca por tais partículas já esteja em andamento há algumas décadas, nenhuma evidência conclusiva foi encontrada até o momento. Entre as principais candidatas à matéria escura estão as Partículas Massivas de Interação Fraca. Ao colidirem, essas partículas teoricamente se aniquilariam, depositando calor em nuvens de hidrogênio em colapso e convertendo-as em estrelas escuras e brilhantes.

Esta imagem obtida pelo Telescópio Espacial James Webb destaca a região de estudo do JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Esta área está dentro e ao redor do Campo Ultraprofundo do Telescópio Espacial Hubble. Créditos: NASA, ESA, CSA e M. Zamani (ESA/Webb). Ciência: B. Robertson (UCSC), S. Tacchella (Cambridge), E. Curtis-Lake (Hertfordshire), S. Carniani (Scuola Normale Superiore) e a Colaboração JADES.

As condições para a formação de estrelas escuras eram ideais algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, e no centro dos halos de matéria escura. É quando e onde se espera que as primeiras estrelas do universo tenham se formado.

“Pela primeira vez, identificamos candidatas espectroscópicas a estrelas escuras supermassivas no JWST, incluindo os primeiros objetos com desvio para o vermelho de 14, apenas 300 milhões de anos após o Big Bang”, disse Freese, titular da Cátedra Jeff e Gail Kodosky em Física e diretor do Instituto Weinberg e do Centro de Cosmologia e Física de Astropartículas do Texas na Universidade do Texas em Austin. “Pesando um milhão de vezes o Sol, essas estrelas escuras primordiais são importantes não apenas para nos ensinar sobre a matéria escura, mas também como precursoras dos primeiros buracos negros supermassivos observados no JWST, que de outra forma seriam tão difíceis de explicar.”

Descobrindo os Candidatos

Em um estudo de 2023 da PNAS realizado por Ilie, Paulin e Freese, as primeiras candidatas a estrelas escuras supermassivas (JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 e JADES-GS-z11-0) foram identificadas usando dados fotométricos do instrumento NIRCam do JWST . Desde então, espectros do instrumento NIRSpec do JWST tornaram-se disponíveis para essas e algumas outras estrelas extremamente distantes.

A equipe, que agora também inclui Shafaat Mahmud, analisou os espectros e a morfologia de quatro dos objetos mais distantes já observados (incluindo dois candidatos do estudo de 2023): JADES-GS-z14-0, JADES-GS-z14-1, JADES-GS-13-0 e JADES-GS-z11-0, e descobriu que cada um deles é consistente com uma interpretação de estrela escura supermassiva.

JADES-GS-z14-1 não está resolvido, o que significa que é consistente com uma fonte pontual, como seria uma estrela supermassiva muito distante. Os outros três são extremamente compactos e podem ser modelados por estrelas escuras supermassivas alimentando uma nebulosa (ou seja, gás H e He ionizado ao redor da estrela). Cada um dos quatro objetos analisados ​​neste estudo também é consistente com uma interpretação galáctica, conforme demonstrado na literatura. Estrelas escuras têm uma assinatura de arma fumegante, uma característica de absorção a 1640 Angstroms, devido às grandes quantidades de hélio ionizado individualmente em suas atmosferas. E, de fato, um dos quatro objetos analisados ​​mostra sinais dessa característica.

Um possível avanço

Um dos momentos mais emocionantes desta pesquisa foi quando encontramos a queda de absorção de 1640 Angstroms no espectro de JADES-GS-z14-0. Embora a relação sinal-ruído dessa característica seja relativamente baixa (S/N~2), é a primeira vez que encontramos uma possível assinatura irrefutável de uma estrela escura. O que, por si só, é notável”, disse Ilie.

Astrônomos usando o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array ( ALMA ) mediram o espectro do mesmo objeto, revelando a presença de oxigênio, através de uma linha de emissão nebular. Os pesquisadores disseram que, se ambas as características espectrais forem confirmadas, o objeto não pode ser uma estrela escura isolada, mas sim uma estrela escura incrustada em um ambiente rico em metais. Isso poderia ser o resultado de uma fusão, onde um halo de matéria escura que hospeda uma estrela escura se funde com uma galáxia. Alternativamente, estrelas escuras e estrelas comuns poderiam ter se formado no mesmo halo hospedeiro, como os pesquisadores agora perceberam ser possível.

A identificação de estrelas escuras supermassivas abriria a possibilidade de aprender sobre as partículas de matéria escura com base nas propriedades observadas desses objetos e estabeleceria um novo campo da astronomia: o estudo de estrelas alimentadas por matéria escura. Esta pesquisa publicada pela PNAS é um passo fundamental nessa direção.

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