Astrônomos identificaram a estrela Pic2-503, com mais de 13 bilhões de anos e alto teor de carbono, vindo possivelmente da explosão das primeiras supernovas.
A estrela Pic2-503 foi identificada inicialmente no levantamento Mapping the Ancient Galaxy in CaHK (Magic), que realiza observações dedicadas de galáxias anãs, como a Pictor 2, onde está localizado o astro, a partir do telescópio Victor Blanco, do observatório Cerro Tololo, no Chile.
A descoberta de uma estrela com mais carbono do que seria esperado pode enriquecer o conhecimento sobre a evolução do Universo. Localizada em Pictor 2, uma minúscula galáxia satélite da Via Láctea, a estrela Pic2-503 apresenta um enriquecimento de carbono três mil vezes maior que o nosso Sol, ao contrário de outras estrelas do mesmo tipo – as chamadas “ultra pobres em metais”.
“Na astronomia, ‘metal’ significa qualquer elemento de número atômico maior do que 2 na tabela periódica, isto é, mais pesado do que hidrogênio e hélio. Então, uma estrela ultra pobre em metais é toda aquela que tem 0,01% da fração de metais pesados que tem o Sol, e são estudadas por serem descendentes diretas das primeiras estrelas,” explica Guilherme Limberg, doutor em astronomia pelo Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG) da USP e um dos autores do estudo.
De acordo com os pesquisadores que identificaram o astro, o teor de carbono está possivelmente associado à explosão de algumas das primeiras supernovas do Universo, que liberaram grandes quantidades do elemento químico. Todo este material foi retido em abundância por galáxias de menor porte e atração gravitacional, como a Pictor 2, há cerca de 13 bilhões de anos.
A descrição da estrela Pic2-503 é feita por um grupo internacional de cientistas, com participação brasileira, em um artigo na revista científica Nature Astronomy. “O termo ultra pobre se refere a estrelas muito velhas que são descendentes diretas da primeira geração de estrelas do Universo e que são pobres, relativamente ao Sol, em elementos químicos diferentes do hidrogênio e hélio,” conta Limberg ao Jornal da USP.
“Essas estrelas são raras de serem encontradas. Conhecemos apenas cerca de 40 até hoje, a maioria na nossa galáxia, a Via Láctea. A pergunta crucial da pesquisa é se estrelas ultra pobres em metais que nascem em ambientes distintos, por exemplo galáxias de diferentes tamanhos, possuem composições químicas semelhantes ou diferentes.”
“Após o Big Bang, o Universo era composto apenas de hidrogênio e hélio, elementos mais leves da tabela periódica. Assim, as primeiras estrelas também devem ter essa composição, sendo responsáveis por produzir, ao longo do tempo, os primeiros elementos pesados do Universo, inclusive aqueles fundamentais para a vida na Terra, como carbono, nitrogênio, oxigênio etc.”
“Essa é a novidade do estudo: a estrela, descoberta em uma galáxia muito pequena, possui um enriquecimento gigantesco em carbono, da ordem de 3 mil vezes em relação ao Sol,” afirma Guilherme Limberg.
De acordo com o pesquisador, não é possível observar as primeiras estrelas, pois todas já “morreram” em explosões de supernova, que é o que acontece ao final de seu ciclo de vida. “Ainda assim, podemos observar as descendentes diretas, que devem ser aquelas estrelas com as menores quantidades de metais hoje em dia; estas são as ultra pobres em metais,” destaca.
A idade do Universo é estimada em 13,8 bilhões de anos. “As primeiras estrelas se formam apenas cerca de 200 milhões de anos após o Big Bang e morrem rapidamente em explosões de supernova. A segunda geração, que inclui a Pic2-503, nasce logo em seguida. Portanto, essa estrela sem dúvida tem mais de 13 bilhões de anos,” diz Guilherme Limberg, ao explicar que, dessa forma, a partir do estudo das ultra pobres em metais, pode-se inferir propriedades das primeiras estrelas e entender como aconteceu a evolução do Universo.
“De alguns anos para cá, temos tentado expandir o estudo para outras galáxias, incluindo a Grande Nuvem de Magalhães e outros satélites da Via Láctea. A principal propriedade observacional destas estrelas é que basicamente todas possuem grandes quantidades de carbono relativamente ao Sol, no geral da ordem de cinco vezes ou mais,” aponta Limberg. “Contudo, ao contrário daquelas encontradas na Via Láctea, as estrelas ultra pobres em metais descobertas, até agora, na Grande Nuvem de Magalhães, possuem tão pouco carbono que nem conseguimos detectar esse elemento nas observações. Isso levanta a dúvida sobre a relação entre meio ambiente e o enriquecimento químico proveniente das primeiras estrelas.”
Limberg relata que a estrela encontrada, chamada de Pic2-503, está localizada no hemisfério Sul celeste, sendo observada no Hemisfério Sul do Chile, em uma galáxia anã chamada de Pictor 2, que possui apenas 2 mil massas solares de massa estelar, o que equivale a 1 milionésimo (0.0001%) da Grande Nuvem de Magalhães e 1 centésimo de milionésimo (0.000001%) da Via Láctea.
“De início, ela foi identificada no levantamento Mapping the Ancient Galaxy in CaHK (Magic), do qual faço parte, que usa a técnica de fotometria para estimar a composição química para estrelas em uma grande área do céu, mas também faz observações dedicadas de galáxias anãs, conduzidas a partir do telescópio Victor Blanco de 4 metros (m), do observatório Cerro Tololo, no Chile,” descreve.
“Confirmamos que realmente se tratava de uma estrela ultra pobre em metais com outra técnica, a espectroscopia, que fornece dados mais precisos e detalhados sobre a composição química, a partir de observações de dois outros telescópios, o Magellan Baade, de 6,5 m, em Las Campanas, e o Very Large Telescope (VLT), de 8,2 m, em Cerro Paranal, ambos também no Chile.”
De acordo com o pesquisador, uma das grandes perguntas da astronomia é justamente sobre a origem do excesso de carbono nas estrelas ultra pobres em metais, com várias hipóteses concorrentes. “Portanto, a estrela Pic2-503 e seu gigantesco enriquecimento em carbono relativo ao Sol demonstra que o mecanismo de enriquecimento em carbono no Universo primordial parece ser diferente para galáxias de tamanhos diferentes,” observa. “Dentre as hipóteses vigentes, a única que se encaixa com essa nova observação, e também com as estrelas ultra pobres em metais sem carbono na Grande Nuvem de Magalhães, estabelece que o enriquecimento em carbono depende da energia de explosão das supernovas associadas às primeiras estrelas.”
Segundo Limberg, a ideia é que supernovas de “baixa energia” (em termos relativos, pois toda supernova é um evento extremamente energético) injetam grandes quantidades de carbono na galáxia hospedeira ao explodirem. “Enquanto isso, as supernovas de mais ‘alta energia’ enriquecem o meio preferencialmente com outros elementos. Sendo assim, galáxias anãs minúsculas como Pictor 2, que possuem pouquíssima massa, conseguem reter o material ejetado apenas das supernovas de baixa energia, aquelas que produzem excesso de carbono,” salienta. “Por outro lado, galáxias maiores como a Grande Nuvem de Magalhães são capazes, também, de reter o material relativamente pobre em carbono das supernovas de alta energia devido ao seu imenso potencial gravitacional, fazendo com que as estrelas ultra pobres em metais desta galáxia possuam uma quantidade relativamente menor desse elemento.”
“Esse entendimento tem implicações gigantescas para modelos de formação de galáxias e a evolução química no Universo primordial, já que, agora, está claro que o enriquecimento em elementos pesados pode ser dramaticamente diferente em galáxias diferentes, mesmo que as primeiras estrelas sejam todas idênticas e compostas apenas por hidrogênio e hélio,” conclui o pesquisador. “Isso deve influenciar, por exemplo, a forma como interpretamos as observações de galáxias distantes com o telescópio espacial James Webb, que já consegue detectar galáxias localizadas a menos de 500 milhões de anos após o Big Bang, lembrando que o Universo tem cerca de 13,8 bilhões de anos.”
Os principais autores do trabalho são Anirudh Chiti, da Universidade de Stanford, coordenador do levantamento MAGIC, Vinicius M. Placco, do NSF NOIRLab, também doutor pelo IAG, Andrew B. Pace, da Universidade de Virginia, Alexander Ji e Guilherme Limberg, da Universidade de Chicago, Deepthi Prabhu, da Universidade do Arizona, William Cerny da Universidade de Yale, Guy Stringfellow, da Universidade do Colorado e Alex Drlica-Wagner, do Fermilab e Universidade de Chicago, nos Estados Unidos. Também assinam o trabalho Kaia Atzberger e Nitya Kallivayalil, da Universidade de Virginia (Estados Unidos), Clecio Bom, do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), Julio Carballo-Bello, da Universidade de Tarapacá (Chile), Yumi Choi e Clara Martínez-Vázquez, do NSF NOIRLab (Estados Unidos), Denija Crnojević, da Universidade de Tampa (Estados Unidos), Peter Ferguson, da Universidade de Washington (Estados Unidos), David James, da empresa Applied Materials (Estados Unidos), Gustavo E. Medina, da Universidade de Toronto (Canadá), Noelia Noël, da Universidade de Surrey (Reino Unido), Alexander Riley da Universidade de Durham (Reino Unido), David Sand, da Universidade de Arizona (Estados Unidos), Joshua D. Simon, do Carnegie Observatories (Estados Unidos), Katherine Vivas e Alistair Walker, do Cerro Tololo Inter-American Observatory (Chile).
O artigo Enrichment by the first stars in a relic dwarf galaxy está disponível neste link.
Mais informações: limberg@uchicago.edu, com Guilherme Limberg.
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Fonte: Jornal da USP.