Há duas décadas que os astrónomos se interrogam sobre como é que os buracos negros supermassivos, que são alguns dos objetos mais brilhantes do Universo, podem existir menos de mil milhões de anos após o Big Bang. As estrelas normais simplesmente não conseguiriam criar buracos negros tão massivos com a rapidez necessária.
Agora, utilizando o Telescópio Espacial James Webb da NASA, uma equipa internacional de astrónomos encontrou a primeira evidência convincente que resolve este mistério cósmico: existiram, no início do Universo, "estrelas monstruosas" com 1000 a 10.000 vezes mais massa do que o nosso Sol. A descoberta foi feita através da análise de assinaturas químicas numa galáxia chamada GS 3073.
Um estudo realizado pela Universidade de Portsmouth, em Inglaterra, e pelo Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian, nos EUA, descobriu um desequilíbrio extremo entre o azoto e o oxigénio que não pode ser explicado por nenhum tipo de estrela conhecido.
Em 2022, os investigadores publicaram na revista Nature um trabalho que prevê que as estrelas supermassivas se formaram naturalmente em fluxos raros e turbulentos de gás frio no Universo primitivo, explicando como é que os quasares (buracos negros extraordinariamente brilhantes) puderam existir menos de mil milhões de anos após o Big Bang.
"A nossa mais recente descoberta ajuda a resolver um mistério cósmico com 20 anos", disse o Dr. Daniel Whalen do Instituto de Cosmologia e Gravitação da Universidade de Portsmouth. "Com GS 3073, temos a primeira evidência observacional de que estas estrelas monstruosas existiram.
"Estes gigantes cósmicos teriam brilhado intensamente durante um breve período de tempo antes de colapsarem em buracos negros massivos, deixando para trás as assinaturas químicas que podemos detetar milhares de milhões de anos mais tarde. Um pouco como os dinossauros na Terra - eram enormes e primitivos. E tiveram vidas curtas, durando apenas um-quarto de milhão de anos - um piscar de olhos cósmico".
A chave para a descoberta foi a medição da relação entre o azoto e o oxigénio em GS 3073. A galáxia contém um rácio de azoto para oxigénio de 0,46 - muito superior ao que pode ser explicado por qualquer tipo de estrela ou explosão estelar conhecida.
Devesh Nandal, do Instituto de Teoria e Computação do Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian, explicou: "As abundâncias químicas atuam como uma impressão digital cósmica, e o padrão em GS3073 é diferente de tudo o que as estrelas normais podem produzir. O seu azoto extremo corresponde apenas a um tipo de fonte que conhecemos - estrelas primordiais milhares de vezes mais massivas do que o nosso Sol. Isto diz-nos que a primeira geração de estrelas incluía objetos verdadeiramente supermassivos que ajudaram a moldar as primeiras galáxias e podem ter dado origem aos atuais buracos negros supermassivos".
| |
 |
Ao medir assinaturas químicas na galáxia GS 3073, os cientistas determinaram que a proporção de azoto para oxigénio era demasiado elevada para ser explicada por estrelas comuns. Em vez disso, os níveis extremos de azoto apontam para monstruosas estrelas primordiais com uma massa entre 1000 e 10.000 vezes superior à do Sol. Esta imagem simulada mostra o nascimento de um quasar primordial, ou buraco negro extraordinariamente brilhante, que foi possível graças a uma destas estrelas gigantes.
Crédito: Nandal et al |
| |
Os investigadores modelaram a forma como as estrelas com 1000 a 10.000 massas solares evoluiriam e que elementos produziriam. Descobriram um mecanismo específico que cria grandes quantidades de azoto:
- 1. Estas estrelas enormes queimam hélio nos seus núcleos, produzindo carbono;
- O carbono vaza para uma concha circundante onde o hidrogénio está a ser queimado;
- O carbono combina-se com o hidrogénio para criar azoto através do ciclo carbono-azoto-oxigénio;
- As correntes de convecção distribuem o azoto por toda a estrela;
- Eventualmente, este material rico em azoto é lançado para o espaço, enriquecendo o gás circundante.
O processo continua durante milhões de anos durante a fase de queima de hélio da estrela, criando o excesso de azoto observado em GS 3073.
Os modelos, publicados na revista The Astrophysical Journal Letters, também preveem o que acontece quando estas estrelas monstruosas morrem. Não explodem - em vez disso, colapsam diretamente em buracos negros massivos com milhares de massas solares.
Curiosamente, GS 3073 contém um buraco negro que se alimenta ativamente no seu centro - potencialmente o remanescente de uma destas primeiras estrelas supermassivas. Se confirmado, isto resolveria dois mistérios de uma só vez - de onde veio o azoto e como o buraco negro foi formado.
O estudo também descobriu que esta assinatura de azoto só aparece num intervalo de massa específico. Estrelas com menos de 1000 massas solares ou com mais de 10.000 massas solares não produzem o padrão químico correto para a assinatura, o que sugere a existência de um "ponto ideal" para este tipo de enriquecimento.
Estas descobertas abrem uma nova janela para as primeiras centenas de milhões de anos do Universo - um período cósmico a que os astrónomos chamam "Idade das Trevas", quando as primeiras estrelas se inflamaram e começaram a transformar a química simples do Universo primitivo na rica variedade de elementos que vemos hoje.
Os investigadores preveem que o Webb irá encontrar mais galáxias com excessos de azoto semelhantes à medida que continua a pesquisar o Universo primitivo. Cada nova descoberta reforçaria a hipótese destas primeiras estrelas ultramassivas.
// Universidade de Portsmouth (comunicado de imprensa)
// Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal Letters)
// Simulação do nascimento de um quasar primordial (Nandal et al)
Quer saber mais?
Universo:
Wikipedia
A expansão acelerada do Universo (Wikipedia)
Estrutura a grande-escala do Universo (Wikipedia)
Big Bang (Wikipedia)
Cronologia do Universo (Wikipedia)
Fundo cósmico de micro-ondas (Wikipedia)
Modelo Lambda-CDM (Wikipedia)
Indicadores de distâncias cósmicas (Wikipedia)
"Escada" de distâncias cósmicas (Wikipedia)
Estrelas de População III:
Wikipedia
Buraco negro supermassivo:
Wikipedia
Ciclo carbono-azoto-oxigénio:
Wikipedia
JWST (Telescópio Espacial James Webb):
NASA
STScI
STScI (website para o público)
ESA
ESA/Webb
Wikipedia
Facebook
X/Twitter
Instagram
Blog do JWST (NASA)
NIRISS (NASA)
NIRCam (NASA)
MIRI (NASA)
NIRSpec (NASA) |
