As primeiras estrelas do Universo desapareceram há bilhões de anos e, até hoje, nenhuma delas foi observada diretamente.
Mas elas podem ter deixado vestígios que sobreviveram até o presente.
Novas simulações cosmológicas mostram como a primeira geração de estrelas pode ter enriquecido pequenas galáxias com ferro e outros elementos, deixando assinaturas químicas que ainda poderiam ser encontradas em galáxias anãs próximas.
O resultado faz parte do MEGATRON, um ambicioso projeto internacional que acompanha a formação das primeiras estrelas e galáxias utilizando simulações que combinam gravidade, movimento do gás, radiação, química e enriquecimento por elementos produzidos pelas estrelas.
Um dos estudos encontrou algo especialmente interessante.
As primeiras estrelas simuladas conseguem produzir uma característica química que aparece também nas pequenas galáxias anãs observadas atualmente: uma concentração de sistemas com abundâncias semelhantes de ferro, formando o que os astrônomos chamam de platô de metalicidade.
Nas simulações, essa assinatura surge devido à ação de algumas das primeiras estrelas do Universo.
E pode sobreviver por mais de 13 bilhões de anos.
O estudo foi liderado por Martin P. Rey, da Universidade de Bath, e publicado no Open Journal of Astrophysics.
Pouco depois do Big Bang, o Universo era formado principalmente por hidrogênio e hélio.
Carbono, oxigênio, ferro e praticamente todos os elementos mais pesados que encontramos atualmente precisaram ser produzidos posteriormente pelas estrelas.
As primeiras são conhecidas como estrelas de População III.
Elas teriam se formado a partir de gás primordial praticamente sem elementos mais pesados que o hélio.
Isso significa que suas propriedades provavelmente eram diferentes das estrelas que se formaram posteriormente.
O problema é que nunca observamos diretamente uma estrela de População III.
Para descobrir como eram, os astrônomos seguem dois caminhos.
Um deles é olhar para muito longe.
Como a luz leva tempo para viajar pelo espaço, telescópios como o James Webb conseguem observar galáxias como eram durante as primeiras centenas de milhões de anos da história cósmica.
O outro caminho está muito mais perto.
Algumas estrelas extremamente antigas da Via Láctea e de pequenas galáxias vizinhas preservam em suas composições químicas informações sobre o gás a partir do qual nasceram.
É a chamada arqueologia estelar.
O desafio é conectar essas duas abordagens.
É justamente isso que o MEGATRON tenta fazer.
O MEGATRON utiliza simulações cosmológicas de radiação e hidrodinâmica capazes de acompanhar simultaneamente vários processos.
As simulações começam com gás primordial, sem elementos pesados, e acompanham a formação das primeiras estrelas, sua radiação, o movimento do gás e o enriquecimento químico provocado pelas diferentes gerações estelares.
A resolução chega à escala de poucos parsecs em partes das simulações.
Além disso, o modelo acompanha uma extensa rede química fora do equilíbrio e o transporte da radiação durante a própria simulação, em vez de acrescentar todos esses efeitos apenas posteriormente.
A região simulada é escolhida para evoluir até formar, no Universo atual, um sistema com massa semelhante à da Via Láctea.
Isso permite acompanhar a história desde as primeiras estrelas até as estruturas que poderiam sobreviver bilhões de anos depois.
Um dos trabalhos do projeto investigou especificamente onde as estrelas de População III se formavam.
As primeiras delas surgem em pequenos halos de matéria escura, onde o hidrogênio molecular ajuda o gás a perder energia e se condensar.
Mas essa situação não dura muito.
A própria radiação produzida pelas primeiras estrelas cria um fundo de radiação Lyman-Werner capaz de destruir moléculas de hidrogênio.
Nas simulações do MEGATRON, essa mudança acontece rapidamente.
Dentro de aproximadamente 100 milhões de anos após a formação das primeiras estrelas, a maioria das novas estrelas de População III passa a se formar em halos mais massivos, nos quais o resfriamento do gás já pode ocorrer por outros processos.
Isso tem uma consequência importante.
As primeiras estrelas não apenas aparecem dentro do Universo primordial.
Elas começam rapidamente a alterar as condições para a formação das estrelas que vêm depois delas.
O novo trabalho liderado por Martin Rey acompanha também o enriquecimento químico provocado pelas estrelas de População III.
E uma classe específica de explosões desempenha um papel importante nas simulações: as supernovas de instabilidade de pares.
Esse tipo de explosão é previsto para determinadas estrelas extremamente massivas.
Nelas, a produção de pares elétron-pósitron reduz temporariamente a pressão de radiação que sustenta o interior da estrela. Isso desencadeia uma instabilidade que pode terminar em uma explosão termonuclear extremamente energética, destruindo completamente a estrela.
Essas explosões podem lançar grandes quantidades de elementos pesados no ambiente.
No MEGATRON, a radiação Lyman-Werner produzida pelas estrelas anteriores acaba fazendo com que muitas dessas explosões ocorram em halos de aproximadamente 10 milhões de massas solares.
Esses halos já são massivos o suficiente para reter uma parcela importante do material lançado pelas explosões.
O ferro produzido não simplesmente desaparece no espaço.
Ele passa a fazer parte do gás que posteriormente participa da formação de novas estrelas.
É aqui que aparece um dos resultados mais interessantes.
Quando os pesquisadores analisam pequenas galáxias anãs produzidas pela simulação, encontram uma concentração de sistemas com uma abundância média de ferro em torno de:
[Fe/H] ≈ −2,5.
Essa notação compara a quantidade de ferro em relação ao hidrogênio com aquela encontrada no Sol.
Um valor de −2,5 significa uma abundância de ferro centenas de vezes menor que a solar.
O mais importante, porém, é que essa abundância permanece aproximadamente constante para várias das galáxias anãs simuladas com massas estelares inferiores a cerca de 100 mil massas solares.
Forma-se, portanto, um platô na relação entre massa estelar e metalicidade em ferro.
E algo semelhante aparece nas observações de pequenas galáxias do Universo próximo.
Nas simulações, esse platô não aparece por acaso.
Os pesquisadores conseguiram relacioná-lo ao enriquecimento químico produzido pelas supernovas de instabilidade de pares das estrelas de População III.
Isso levanta uma possibilidade importante.
Parte do padrão químico observado atualmente nas galáxias anãs mais pobres em elementos pesados pode preservar informações sobre as primeiras estrelas que existiram no Universo.
É importante, entretanto, não transformar essa possibilidade em uma detecção.
O estudo não demonstra que o platô observado nas galáxias anãs reais foi definitivamente produzido por estrelas de População III.
Ele mostra que, dentro do modelo MEGATRON, essa população primordial consegue produzir naturalmente uma característica semelhante e oferece uma explicação física que poderá ser testada com observações.
Nem todas as pequenas galáxias simuladas terminam no mesmo platô.
O MEGATRON prevê também uma população ainda mais pobre em ferro.
Aproximadamente 20% das galáxias anãs simuladas aparecem com abundância média:
[Fe/H] ≤ −3.
São sistemas extremamente pobres em ferro.
A existência simultânea do platô e dessa população mais pobre fornece duas assinaturas diferentes que poderão ser confrontadas com observações de galáxias anãs reais.
E os pesquisadores fizeram outro teste importante.
Eles alteraram significativamente as suposições utilizadas para representar a retroalimentação das estrelas de População II, as gerações que vieram depois das primeiras estrelas.
Tanto o platô quanto a população mais pobre em ferro continuaram aparecendo.
Isso indica que, dentro das simulações, essas características não dependem simplesmente de uma escolha específica sobre como as estrelas posteriores afetam suas galáxias.
Existe ainda uma consequência especialmente interessante para a arqueologia estelar.
As pequenas galáxias não permanecem isoladas.
Ao longo da evolução cósmica, algumas delas são incorporadas ao sistema maior que, na simulação, termina com uma massa semelhante à da Via Láctea.
Parte dessas galáxias continua existindo como satélites gravitacionalmente ligados.
E as assinaturas químicas produzidas no início da história sobrevivem nessas galáxias satélites até o Universo atual.
Isso cria uma ligação entre duas épocas separadas por mais de 13 bilhões de anos.
Para investigar as primeiras estrelas, não precisamos necessariamente observá-las diretamente.
Podemos procurar os efeitos químicos que elas deixaram em estrelas e pequenas galáxias que ainda existem.
É isso que Martin Rey descreve como uma ponte entre o James Webb e a arqueologia estelar.
O Webb permite observar diretamente galáxias extremamente distantes durante os primeiros estágios de sua evolução.
Ao mesmo tempo, telescópios atuais conseguem medir a composição química de estrelas antigas na Via Láctea e em galáxias anãs próximas.
Esses dois tipos de observação normalmente investigam épocas completamente diferentes.
O MEGATRON tenta colocá-los dentro da mesma evolução física.
As simulações começam com gás primordial, formam estrelas de População III, acompanham seu enriquecimento químico e seguem parte desse material até sistemas que podem sobreviver no Universo atual.
Outros trabalhos do projeto investigam diretamente as galáxias de alto desvio para o vermelho que o James Webb está encontrando.
Uma das simulações produziu uma biblioteca com mais de 175 mil espectros sintéticos de galáxias.
Os pesquisadores descobriram que o MEGATRON consegue reproduzir naturalmente uma ampla diversidade de espectros semelhantes aos observados pelo Webb em galáxias do Universo primordial.
Isso permite utilizar as linhas espectrais observadas pelo telescópio para testar diferentes modelos de formação estelar e retroalimentação.
Outro trabalho mostrou que galáxias de alto desvio para o vermelho nas simulações possuem gás interestelar mais denso, menos enriquecido e submetido a campos de radiação mais intensos do que galáxias de massa semelhante no Universo próximo, em concordância com interpretações de observações do Webb.
O projeto encontrou ainda diferenças importantes quando a química do gás é tratada de maneira mais completa.
Em um estudo do meio circungaláctico, os pesquisadores compararam cálculos que acompanham a química fora do equilíbrio e a radiação produzida localmente pelas estrelas com modelos mais simplificados.
As diferenças foram significativas.
Para algumas assinaturas observacionais, como sistemas de hidrogênio neutro capazes de produzir forte absorção Lyman-alfa, as frações de cobertura mudaram em até 40% dependendo do tratamento físico utilizado.
Ao aumentar a resolução do gás frio e morno, as simulações também revelaram estruturas menores e interfaces químicas mais bem definidas.
Isso mostra por que detalhes aparentemente pequenos da física incluída nas simulações podem alterar aquilo que os telescópios deveriam observar.
E o projeto ainda está longe de terminar.
O MEGATRON começou em 2023 e está previsto para continuar até 2030.
A equipe recebeu 40 milhões de horas de processamento nos supercomputadores nacionais do Reino Unido para desenvolver a próxima geração das simulações.
Segundo a Universidade de Bath, isso corresponde aproximadamente ao poder computacional de 5 milhões de laptops funcionando simultaneamente durante um ano.
O objetivo é aumentar ainda mais a resolução e incorporar modelos físicos mais completos.
Quanto melhores forem essas simulações, mais diretamente suas previsões poderão ser comparadas tanto com as galáxias extremamente distantes observadas pelo James Webb quanto com a composição das estrelas antigas existentes perto de nós.
Ainda não encontramos definitivamente uma estrela de População III.
Também não podemos olhar para uma pequena galáxia anã atual e afirmar apenas por sua quantidade de ferro que estamos vendo uma assinatura inequívoca da primeira geração de estrelas.
Mas o MEGATRON mostra como essa conexão pode ser testada.
Se as primeiras estrelas produziram padrões químicos específicos, parte deles pode ter sido incorporada pelas gerações seguintes e preservada durante bilhões de anos.
O James Webb observa o Universo distante para investigar a época em que essa história começou.
A arqueologia estelar procura suas consequências em sistemas que sobreviveram até hoje.
E as novas simulações tentam reconstruir todo o caminho entre os dois.
Talvez alguns dos vestígios das primeiras estrelas do Universo não estejam apenas a mais de 13 bilhões de anos-luz de distância.
Eles podem estar preservados em pequenas galáxias que ainda orbitam perto de nós.
Sobre a Imagem: A teia cósmica púrpura de gás alimenta a intensa formação estelar nas primeiras galáxias. À medida que as estrelas nascem e morrem, produzem oxigênio (amarelo) e fótons (branco), todos evoluindo de forma autoconsistente e rastreados em conjunto pelas novas simulações do Megatron.
Créditos da Imagem: Harley B. Katz, Martin P. Rey