Usando dados da missão Gaia da ESA, os astrônomos mostraram que uma parte da Via Láctea conhecida como “disco grosso” começou a se formar há 13 bilhões de anos.

Cerca de 2 bilhões de anos antes do esperado e apenas 0,8 bilhão de anos após o Big Bang.

Visão frontal da Via Láctea. Crédito da imagem: Agência Espacial Europeia

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Este resultado surpreendente vem de uma análise realizada por Maosheng Xiang e Hans-Walter Rix, do Instituto Max-Planck de Astronomia, Heidelberg, Alemanha. Eles pegaram dados de brilho e posição do conjunto de dados Early Data Release 3 (EDR3) da Gaia e os combinaram com medições das composições químicas das estrelas, conforme dados do Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST) da China para aproximadamente 250.000 estrelas para derivar suas idades.

Eles escolheram olhar para estrelas sub gigantes. Nessas estrelas, a energia parou de ser gerada no núcleo da estrela e se moveu para uma concha ao redor do núcleo. A própria estrela está se transformando em uma estrela gigante vermelha. Como a fase subgigante é uma fase evolutiva relativamente breve na vida de uma estrela, ela permite que sua idade seja determinada com grande precisão, mas ainda é um cálculo complicado.

Qual a idade das estrelas?

A idade de uma estrela é um dos parâmetros mais difíceis de determinar. Não pode ser medido diretamente, mas deve ser inferido comparando as características de uma estrela com modelos de computador de evolução estelar. Os dados da composição ajudam nisso. O Universo nasceu com quase exclusivamente hidrogênio e hélio. Os outros elementos químicos, conhecidos coletivamente como metais pelos astrônomos, são feitos dentro das estrelas e explodidos de volta ao espaço no final da vida de uma estrela, onde podem ser incorporados à próxima geração de estrelas. Assim, estrelas mais velhas têm menos metais então tem menor metalicidade.

Os dados LAMOST dão a metalicidade. Juntos, o brilho e a metalicidade permitem que os astrônomos extraiam a idade da estrela dos modelos de computador. Antes da Gaia, os astrônomos trabalhavam rotineiramente com incertezas de 20 a 40%, o que poderia resultar em idades determinadas imprecisas em um bilhão de anos ou mais.

O lançamento de dados EDR3 da Gaia muda isso. "Com os dados de brilho da Gaia, somos capazes de determinar a idade de uma estrela subgigante em alguns por cento", diz Maosheng. Armados com idades precisas para um quarto de milhão de estrelas subgigantes espalhadas por toda a galáxia, Maosheng e Hans-Walter começaram a análise.

A impressão de um artista da nossa galáxia Via Láctea, uma "galáxia espiral barrada" de aproximadamente 13 bilhões de anos que abriga algumas centenas de bilhões de estrelas. À esquerda, uma vista frontal mostra a estrutura espiral do Disco Galáctico, onde está localizada a maioria das estrelas, intercalada com uma mistura difusa de gás e poeira cósmica. O disco mede cerca de 100.000 anos-luz de diâmetro, e o Sol fica a meio caminho entre o centro e a periferia. À direita, uma visão de ponta revela a forma achatada do disco. As observações apontam para uma subestrutura: um disco fino com cerca de 700 anos-luz de altura embutido em um disco espesso, com cerca de 3.000 anos-luz de altura e povoado por estrelas mais velhas. A borda à vista também mostra o Bojo Galáctico, localizado na porção central da Via Láctea e abrigando cerca de 10 bilhões de estrelas, que são principalmente velhas e vermelhas. A protuberância, também visível na vista frontal à esquerda, tem uma forma geral alongada que lembra a de uma barra em forma de amendoim, com meio comprimento de cerca de 10.000 anos-luz, tornando a Via Láctea uma galáxia espiral barrada. Crédito da imagem: Agência Espacial Europeia

Anatomia da Via Láctea

Nossa galáxia é feita de diferentes componentes. Em geral, eles podem ser divididos em halo e disco. O halo é a região esférica ao redor do disco e tradicionalmente é considerado o componente mais antigo da galáxia. O disco é composto de duas partes: O disco fino e o disco grosso. O disco fino contém a maioria das estrelas que vemos como a faixa de luz enevoada no céu noturno que chamamos de Via Láctea. O disco grosso tem mais que o dobro da altura do disco fino, mas menor em raio, contendo apenas uma pequena porcentagem das estrelas da Via Láctea na vizinhança solar.

Ao identificar estrelas subgigantes nessas diferentes regiões, os pesquisadores conseguiram construir uma linha do tempo da formação da Via Láctea, e foi aí que eles tiveram uma surpresa.

Duas fases na história da Via Láctea

As eras estelares revelaram claramente que a formação da Via Láctea se dividiu em duas fases distintas. Na primeira fase, começando apenas 0,8 bilhão de anos após o Big Bang, o disco espesso começou a formar estrelas. As partes internas do halo também podem ter começado a se unir neste estágio, mas o processo acelerou rapidamente até a conclusão, cerca de dois bilhões de anos depois, quando uma galáxia anã conhecida como Gaia-Sausage-Enceladus se fundiu com a Via Láctea. Ela encheu o halo de estrelas e, como claramente revelado pelo novo trabalho, desencadeou o disco grosso nascente para formar a maioria de suas estrelas. O disco fino de estrelas que contém o Sol foi formado durante a segunda fase subsequente da formação da galáxia.

A análise também mostra que após a explosão de formação de estrelas desencadeada pela fusão com Gaia-Sausage-Enceladus, o disco espesso continuou a formar estrelas até que o gás se esgotou cerca de 6 bilhões de anos após o Big Bang. Durante esse período, a metalicidade do disco espesso cresceu em mais de um fator de 10. Mas, notavelmente, os pesquisadores veem uma relação de idade estelar-metalicidade muito estreita, o que indica que durante todo esse período, o gás que formava as estrelas estava bem misturado em todo o disco. Isso implica que as primeiras regiões do disco da Via Láctea devem ter sido formadas a partir de gás altamente turbulento que efetivamente espalhou os metais por toda parte.

Uma linha do tempo graças a Gaia

A idade de formação anterior do disco espesso aponta para uma imagem diferente da história inicial da nossa galáxia. "Desde a descoberta da antiga fusão com Gaia-Sausage-Enceladus, em 2018, os astrônomos suspeitavam que a Via Láctea já existia antes do halo se formar, mas não tínhamos uma imagem clara de como era essa Via Láctea. Nossos resultados fornecem detalhes requintados sobre essa parte da Via Láctea, como seu nascimento, sua taxa de formação de estrelas e história de enriquecimento de metais. Reunir essas descobertas usando dados da Gaia está revolucionando nossa imagem de quando e como nossa galáxia foi formada." Diz Maosheng.

E talvez ainda não estejamos olhando longe o suficiente no Universo para ver a formação de discos galácticos semelhantes. Uma idade de 13 bilhões de anos corresponde a um desvio para o vermelho de 7, onde o desvio para o vermelho é uma medida de quão longe está um objeto celeste e, portanto, quanto tempo sua luz levou para atravessar o espaço e chegar até nós.

Novas observações podem ocorrer em um futuro próximo, pois o Telescópio Espacial James Webb foi otimizado para ver as primeiras galáxias semelhantes à Via Láctea no Universo. E em 13 de junho deste ano, Gaia lançará seu terceiro lançamento de dados completo (Gaia DR3). Este catálogo incluirá espectros e informações derivadas como idades e metalicidade, tornando estudos como o de Maosheng ainda mais fáceis de realizar.

"A cada nova análise e lançamento de dados, Gaia nos permite juntar a história de nossa galáxia com detalhes ainda mais sem precedentes. Com o lançamento do Gaia DR3 em junho, os astrônomos poderão enriquecer a história com ainda mais detalhes", diz Timo Prusti, Cientista do Projeto Gaia para a ESA.

A pesquisa foi publicada em Nature.

Mais informações: 

Maosheng Xiang et al, A time-resolved picture of our Milky Way's early formation history, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04496-5

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Referência:

Gaia mission finds parts of the Milky Way much older than expected. Phys Org, 23, mar. 2022. Disponível em: <https://phys.org/news/2022-03-gaia-mission-milky-older.html>. Acesso em: 24, mar. 2022.