Equipa Liderada por Astrónomo Português Observa a Primeira Geração de Estrelas do Universo

Uma equipa de astrónomos liderada por David Sobral, do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa, e do Observatório de Leiden, poderá ter realizado a primeira detecção sólida de luz proveniente da primeira geração de estrelas. A descoberta foi possível apenas com a utilização de uma verdadeira armada de grandes telescópios como o VLT (Very Large Telescope), no Chile, os telescópios Keck e Subaru, no Hawaii, e o Telescópio Espacial Hubble. A confirmar-se, esta descoberta constitui um progresso muito significativo no estudo de uma era ainda mal compreendida na evolução do Universo — a “re-ionização”.

A galáxia CR7 (COSMOS Redshift 7) numa imagem adquirida com o telescópio Subaru. Crédito: David Sobral et al..

As primeiras estrelas formaram-se, tanto quanto é possível estimar, cerca de 800 milhões de anos após o Big Bang, terminando um longo período de trevas quase absolutas. A composição elementar do Universo nessa altura era extremamente simples: 75% de hidrogénio e 25% de hélio (mais uns vestígios de lítio e berílio). Estes elementos foram produzidos por reacções nucleares que ocorreram poucos minutos após o Big Bang. As temperaturas desceram tão rapidamente que não foi possível, nessa altura, formar elementos mais complexos e que hoje são relativamente abundantes como o carbono, oxigénio, magnésio, silício e ferro. Estes e outros elementos foram sintetizados ao longo de milhares de milhões de anos por sucessivas gerações de estrelas. Os astrónomos chamam-lhes “metais”.

As primeiras estrelas são, no entanto, muito especiais. Os modelos estelares existentes sugerem que, por serem constituídas quase exclusivamente por hidrogénio e hélio, deveriam ter massas extremas de várias centenas ou mesmo milhares de vezes a massa do Sol. Estrelas assim já não existem no Universo actual. A poluição desta mistura inicial de gases com elementos mais complexos, mesmo em quantidades mínimas (2% apenas no caso do Sol), favorece a formação de estrelas pouco maciças e torna a formação de colossos muito difícil. Na Via Láctea, por exemplo, as estrelas mais maciças conhecidas têm pouco mais de 100 massas solares; a vasta maioria das estrelas da nossa galáxia são anãs vermelhas, com apenas um décimo da massa solar.

As estrelas de primeira geração deveriam ser, portanto, extremamente maciças e, por isso, extremamente quentes e luminosas. De facto, para estrelas jovens a temperatura superficial e, principalmente, a luminosidade aumentam rapidamente com a massa. Estrelas enormes como seriam as da primeira geração teriam temperaturas de muitas dezenas de milhares de graus e emitiriam por isso copiosamente no ultravioleta. Os astrónomos, no entanto, não conseguem detectar estas estrelas individualmente; estão demasiado longe, quase a 13 mil milhões de anos-luz. Mesmo os maiores telescópios não têm resolução para distinguir estrelas individuais a estas distâncias, nem capacidade para ver objectos tão débeis. No entanto, estas estrelas ter-se-iam formado em grandes enxames nas galáxias hospedeiras, ionizando (retirando os electrões aos átomos) as nuvens de hidrogénio e hélio envolventes e provocando a sua fluorescência. Ionizar o hidrogénio não requer muita energia, mas o mesmo já não se passa com o hélio. Contam-se pelos dedos os exemplos de estrelas na Via Láctea e galáxias vizinhas que são suficientemente maciças e quentes para ionizar o hélio nas nuvens interestelares. Para as estrelas de primeira geração, no entanto, isso não constituiria qualquer problema.

Representação artística de enxames de estrelas de primeira geração ionizando as nuvens de hidrogénio e hélio envolventes. Crédito: ESO/M. Kornmesser.

A equipa de David Sobral observou uma galáxia primordial designada por “COSMOS Redshift 7” ou CR7 (não, não é uma piada), extremamente luminosa e descoberta recentemente. A galáxia encontra-se a 12.9 mil milhões de anos-luz na direcção da constelação do Sextante. Usando os instrumentos X-shooter e SINFONI instalados no VLT, a equipa detectou a assinatura espectral de átomos de hélio ionizados, implicando a existência de grande quantidade de estrelas muito maciças e quentes. Mais importante, a equipa não detectou a assinatura espectral de nenhum “metal”. Esta observação suporta a ideia de que o gás ionizado pelas estrelas da CR7 não contém ainda elementos complexos, sendo portanto primordial. Este gás que envolve os enxames é tudo o que resta da matéria prima a partir da qual eles se formaram. Deduz-se portanto que as estrelas dos enxames são elas próprias formadas exclusivamente por hidrogénio e hélio, sendo portanto estrelas de primeira geração. Curiosamente, analisando a galáxia em diferentes comprimentos de onda, os astrónomos deduziram também a existência de enxames com idades diferentes na CR7. As estrelas de primeira geração não nasceram todas ao mesmo tempo.

O artigo descrevendo este trabalho — Evidence for PopIII-like stellar populations in the most luminous Lyman-α emitters at the epoch of re-ionisation: spectroscopic confirmation — foi publicado na revista The Astrophysical Journal.

(Fonte: ESO)

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