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Investigadores descobrem as estrelas mais antigas do Universo no nosso próprio quintal galáctico
17 de maio de 2024
 

Os astrónomos do MIT descobriram três das estrelas mais antigas do Universo, e vivem na nossa própria vizinhança galáctica. As estrelas encontram-se no "halo" da Via Láctea - a nuvem de estrelas que envolve o disco galáctico principal - e parecem ter sido formadas há 12 a 13 mil milhões de anos, quando as primeiras galáxias estavam a tomar forma.
Crédito: Serge Brunier; NASA
 
     
 
 
 

Investigadores do MIT (Massachusetts Institute of Technology), incluindo várias alunas, descobriram três das estrelas mais antigas do Universo e, por acaso, vivem na nossa própria vizinhança galáctica.

A equipa detetou as estrelas no "halo" da Via Láctea - a nuvem de estrelas que envolve todo o disco galáctico principal. Com base na análise da equipa, as três estrelas formaram-se há 12 a 13 mil milhões de anos, altura em que as primeiras galáxias estavam a tomar forma.

Os investigadores apelidaram as estrelas de "SASS" (Small Accreted Stellar System), pois acreditam que cada estrela pertenceu a uma galáxia pequena e primitiva que foi mais tarde absorvida pela Via Láctea, maior, mas ainda em crescimento. Atualmente, as três estrelas são tudo o que resta das suas respetivas galáxias. Circulam nos arredores da Via Láctea, onde a equipa suspeita que possam existir mais sobreviventes estelares igualmente antigas.

"Estas estrelas mais antigas deveriam definitivamente existir, tendo em conta o que sabemos sobre a formação das galáxias", afirma Anna Frebel, professora de física do MIT. "Fazem parte da nossa árvore genealógica cósmica. E agora temos uma nova forma de as encontrar".

À medida que descobrem estrelas SASS semelhantes, os investigadores esperam usá-las como análogos de galáxias anãs ultrafracas, que se pensa serem algumas das primeiras galáxias sobreviventes do Universo. Estas galáxias ainda estão intactas hoje em dia, mas são demasiado distantes e ténues para serem estudadas em profundidade pelos astrónomos. Como as estrelas SASS podem ter pertencido a galáxias anãs igualmente primitivas, mas estão na Via Láctea e, como tal, muito mais próximas, podem ser uma chave acessível para compreender a evolução das galáxias anãs ultrafracas.

"Agora podemos procurar mais análogas na Via Láctea, que são muito mais brilhantes, e estudar a sua evolução química sem ter de perseguir estas estrelas extremamente ténues", diz Frebel.

Ela e os seus colegas publicaram as suas descobertas na revista MNRAS (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society). Os coautores do estudo são Mohammad Mardini, da Universidade de Zarqa, na Jordânia; Hillary Andales, recém-licenciada; e as alunas do MIT Ananda Santos e Casey Fienberg.

Fronteira estelar

As descobertas da equipa surgiram de um conceito de sala de aula. Durante o semestre de outono de 2022, Frebel lecionou uma nova cadeira, Arqueologia Estelar Observacional, na qual os alunos aprenderam técnicas para analisar estrelas antigas e, em seguida, aplicaram essas ferramentas a estrelas que nunca haviam sido estudadas antes, para determinar as suas origens.

"Embora a maioria das nossas cadeiras seja lecionada começando com o básico, esta colocou-nos imediatamente na fronteira da investigação em astrofísica", afirma Andales.

Os alunos trabalharam a partir de dados estelares recolhidos por Frebel ao longo dos anos com o telescópio Magellan-Clay de 6,5 metros do Observatório de Las Campanas. Ela guarda cópias impressas dos dados num dossier grande no seu gabinete, que os estudantes analisaram para procurar estrelas de interesse.

Em particular, procuravam estrelas antigas que se formaram pouco depois do Big Bang, que ocorreu há 13,8 mil milhões de anos. Nessa altura, o Universo era constituído principalmente por hidrogénio e hélio e por abundâncias muito baixas de outros elementos químicos, como o estrôncio e o bário. Assim, os alunos procuraram no dossier de Frebel estrelas com espetros, ou medições da luz das estrelas, que indicassem baixas abundâncias de estrôncio e bário.

 
As investigadoras seguram uma pasta cheia de dados sobre estrelas que recolheram ao longo dos anos, incluindo o brilho das estrelas ao longo do tempo. Da esquerda para a direita: as alunas Ananda Santos, Casey Fienberg e a docente Anna Frebel.
Crédito: cortesia das investigadoras
 

A sua pesquisa restringiu-se a três estrelas que foram originalmente observadas pelo telescópio Magellan entre 2013 e 2014. Os astrónomos nunca deram seguimento a estas estrelas em particular para interpretar os seus espetros e deduzir as suas origens. Eram, portanto, candidatas perfeitas para os alunos da disciplina de Frebel.

Os alunos aprenderam a caracterizar uma estrela para se prepararem para a análise dos espetros de cada uma das três estrelas. Conseguiram determinar a composição química de cada uma delas com vários modelos estelares. A intensidade de uma determinada característica no espetro estelar, correspondente a um determinado comprimento de onda da luz, corresponde a uma determinada abundância de um elemento específico.

Depois de finalizarem a sua análise, as alunas puderam concluir com confiança que as três estrelas tinham efetivamente abundâncias muito baixas de estrôncio, bário e outros elementos como o ferro, em comparação com a sua estrela de referência - o nosso próprio Sol. De facto, uma das estrelas continha menos de 1/10.000 da quantidade de ferro para hélio em comparação com o Sol atual.

"Foram precisas muitas horas a olhar para um computador e muito 'debugging', enviando freneticamente mensagens de texto e e-mail umas às outras para descobrir isto", recorda Santos. "Foi uma grande curva de aprendizagem e uma experiência especial."

"Em fuga"

A baixa abundância química das estrelas indicava que se tinham formado originalmente há 12 ou 13 mil milhões de anos. De facto, as suas baixas assinaturas químicas eram semelhantes às que os astrónomos tinham medido anteriormente para algumas galáxias anãs antigas e ultrafracas. Será que as estrelas da equipa tiveram origem em galáxias semelhantes? E como é que vieram parar à Via Láctea?

Com base num palpite, os cientistas verificaram os padrões orbitais das estrelas e a forma como se movem no céu. As três estrelas estão em locais diferentes do halo da Via Láctea e estima-se que estejam a cerca de 30.000 anos-luz da Terra (para referência, o disco da Via Láctea tem 100.000 anos-luz de diâmetro).

Ao reconstituir o movimento de cada estrela em torno do Centro Galáctico, utilizando observações do satélite Gaia, a equipa notou uma coisa curiosa: em relação à maioria das estrelas do disco principal, que se movem como carros numa pista de corridas, as três estrelas pareciam estar a ir na direção errada. Em astronomia, isto é conhecido como "movimento retrógrado" e é um indício de que um objeto foi outrora atraído de outro lugar.

"A única maneira de ter estrelas a ir na direção errada em relação ao resto do grupo é se as tivermos atirado na direção errada", diz Frebel.

O facto destas três estrelas estarem a orbitar de forma completamente diferente do resto do disco galáctico e até do halo, combinado com o facto de terem baixas abundâncias químicas, fez com que concluíssem que as estrelas eram realmente antigas e que pertenciam a galáxias anãs mais velhas e mais pequenas que "caíram" na Via Láctea em ângulos aleatórios e continuaram as suas trajetórias teimosas milhares de milhões de anos mais tarde.

Frebel, curiosa em saber se o movimento retrógrado era uma característica de outras estrelas antigas no halo que os astrónomos tinham analisado anteriormente, procurou na literatura científica e encontrou 65 outras estrelas, também com baixas abundâncias de estrôncio e bário, que pareciam também estar a orbitar na direção oposta.

"Curiosamente, são todas muito rápidas - centenas de quilómetros por segundo, indo na direção oposta", diz Frebel. "Estão a fugir! Não sabemos porque é que isso acontece, mas era a peça do puzzle de que precisávamos e que eu não tinha previsto quando começámos."

A equipa está ansiosa por procurar outras estrelas SASS antigas, e tem agora uma receita relativamente simples para o fazer: primeiro, procurar estrelas com baixas abundâncias químicas e depois seguir os seus padrões orbitais para detetar sinais de movimento retrógrado. Dos mais de 400 mil milhões de estrelas da Via Láctea, preveem que o método irá revelar um número pequeno, mas significativo, das estrelas mais antigas do Universo.

Frebel planeia relançar a cadeira no próximo outono e relembra a primeira versão e as três estudantes que levaram os seus resultados até à publicação com admiração e gratidão.

"Foi fantástico trabalhar com três alunas. É uma estreia para mim", diz ela. "É realmente um exemplo da maneira de ser do MIT. Nós fazemos. E quem disser: 'Quero participar', pode fazê-lo, e coisas boas acontecem."

// MIT (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)
// Artigo científico (arXiv.org)

 


Quer saber mais?

Via Láctea:
CCVAlg - Astronomia
Wikipedia
SEDS

Galáxia anã:
Wikipedia
Galáxias anãs ultrafracas (Wikipedia)

Telescópios Magellan:
Observatório de Las Campanas
Wikipedia

Gaia:
ESA
ESA - 2
Gaia/ESA
Programa Alertas de Ciência Fotométrica do Gaia
Catálogo DR3 do Gaia
Wikipedia

 
   
 
 
 
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