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

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. Crédito da imagem: Merrill Sherman/Quanta Magazine

Um grupo de astrônomos analisando dados do Telescópio Espacial James Webb (JWST) vislumbrou a luz de um raro isótopo de hélio em uma galáxia distante, o que pode indicar a presença da primeira geração de estrelas do universo.

“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 as 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 JWST, que está transformando vastas áreas da astronomia, seja capaz de perscrutar longe o suficiente no espaço e no tempo para vê-las. O gigantesco telescópio flutuante já detectou galáxias distantes cujo brilho incomum sugere que elas podem conter estrelas de População III. E outros grupos de pesquisa que desejam descobrir as estrelas com o JWST 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

Xin Wang, um astrônomo da Academia Chinesa de Ciências em Pequim, detectou hélio II do início do universo, possivelmente significando a presença de estrelas da População III. Crédito da imagem: Xiao Lei Meng

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. A primeira inclui nosso sol e outras estrelas ricas em metais; a última contém estrelas mais antigas feitas de elementos mais leves. A ideia de estrelas de 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 de 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 condensar tão facilmente e eram, portanto, 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 de 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 elas existiram? E quão abundantes elas eram no início do universo? “São estrelas completamente diferentes das estrelas da nossa própria galáxia”, disse Bowler. “São objetos tão interessantes”.

Rebecca Bowler, astrônoma da Universidade de Manchester, no Reino Unido, estuda a formação e evolução das galáxias do início do universo. Crédito da imagem: Anthony Holloway/Universidade de Manchester

Por estarem tão distantes e existirem tão brevemente, encontrar evidências para elas tem sido um desafio. No entanto, em 1999, astrônomos da Universidade do Colorado, em Boulder, previram que as estrelas deveriam produzir uma assinatura reveladora: Uma frequência específica de luz do hélio-2. Esta forma instável de hélio contém apenas dois prótons em seu núcleo, enquanto o hélio regular também possui dois nêutrons. “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. E 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-2 em uma galáxia distante e primitiva que poderia ter sido ligada a um grupo de estrelas de População III. Vista 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-2 vista pela equipe inicial. “Não estava lá”, disse Bowler.

Outros poderiam se sair melhor?

Os astrônomos depositaram suas esperanças no JWST, 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 até 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-2 de Estrelas de população III.

A equipe de Wang analisou dados de espectroscopia para mais de 2.000 alvos do JWST. 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. Sua análise mostrou que metade parece ter a assinatura chave de hélio-2 misturada com a luz de outros elementos, potencialmente apontando para uma população híbrida de milhares de População III e outras estrelas. 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 JWST 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-2 resistirem ao escrutínio, disse ele, “uma possibilidade é um aglomerado de estrelas de População III”. No entanto, ele não tem certeza se as estrelas de População III e as estrelas posteriores poderiam se misturar tão facilmente.

Rogier Windhorst, da Arizona State University, está usando lentes gravitacionais para tentar ampliar imagens de estrelas de População III do início do universo. “Já temos alguns candidatos”, disse. Crédito da imagem: Charlie Leight/ASU News

Daniel Whalen, um astrofísico da Universidade de Portsmouth, foi igualmente cauteloso. “Definitivamente, pode ser evidência de uma mistura de estrelas de População III e de 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 semelhante de hélio-2, 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 JWST também estão caçando as primeiras estrelas.

Além de procurar por hélio-2, 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 do 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 dos astrônomos obterem visões de galáxias distantes. Windhorst acreditava que mesmo estrelas individuais de 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 com o JWST que está tentando a técnica. “Estou bastante confiante de que em um ano ou dois teremos visto algumas”, 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 grupo 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 JWST do início do universo possam dever seu brilho às massivas estrelas de 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”.

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Referência:

O´CALLAGHAN, Jonathan. Astronomers say they have spotted the universe’s first stars. Quanta Magazine, 30, jan. 2023. Disponível em: <https://www.quantamagazine.org/astronomers-say-they-have-spotted-the-universes-first-stars-20230130/?fbclid=IwAR2gkJdsnX65Ca_JL__W6bNVmX3-QitenIOlYUhZDgdfpApdLwlE6ID88IA>. Acesso em: 30, jan. 2023.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.