Em busca das primeiras estrelas do Universo

Os astrônomos há muito tempo buscam evidências da primeira geração de estrelas do Universo e, à medida que galáxias mais distantes se tornam visíveis, parece que essas estrelas podem finalmente estar no nosso alvo.

© STScI (ilustração da formação de estrelas no início do Universo)

Desde o seu lançamento em 2021, o telescópio espacial James Webb (JWST) tem fornecido aos astrônomos olhos para observar o passado distante, descobrindo muitas galáxias cuja luz revela os estágios iniciais da formação de estrelas e galáxias no Universo.

Dentro da população de galáxias recém-descobertas, existem algumas com propriedades químicas bizarras que, à primeira vista, parecem ser muito ricas para existirem tão cedo no Universo. Essas abundâncias difíceis de conciliar podem ser um sinal das primeiras estrelas do Universo. Conhecidas como estrelas da População III, as primeiras estrelas do Universo nasceram de nuvens gigantes de gás primordial (hidrogênio, hélio e um pouco de lítio) e foram capazes de se formar com massas centenas a milhares de vezes maiores que a massa do nosso Sol.

Embora tenham brilhado intensamente, sua queima não durou muito tempo, terminando suas vidas em violentas supernovas e lançando seus componentes recém-enriquecidos de volta ao ambiente ao redor. Apesar dessas estrelas estejam mortas há muito tempo, as marcas químicas que deixaram em suas galáxias hospedeiras podem persistir, e entender como as estrelas da População III criam e distribuem metais pode nos dar pistas sobre as estranhas assinaturas químicas recentemente encontradas com o JWST. 

Pesquisadores identificaram algumas galáxias que exibem altas proporções de nitrogênio para oxigênio (N/O) que não podem ser explicadas por estrelas semelhantes às que existem no Universo hoje. Algumas dessas galáxias poderiam ser explicadas por meio de múltiplas populações estelares, estrelas em rápida rotação, explosões massivas ou os estágios iniciais da formação de aglomerados globulares. No entanto, GS 3073, uma galáxia com um desvio para o vermelho de z = 5,55 (cerca de um bilhão de anos após o Big Bang), tem um excesso de N/O tão alto que, até agora, desafiou qualquer explicação. 

Com o objetivo de compreender esse fenômeno bizarro, Devesh Nandal (Universidade da Virgínia; Centro de Astrofísica de| Harvard & Smithsonian) e colaboradores usaram modelos de evolução estelar para verificar se as estrelas da População III poderiam ser as culpadas. Modelando estrelas com massas de 1.000 a 10.000 vezes a massa do nosso Sol, os autores rastrearam os rendimentos elementares dessas estrelas supermassivas à medida que passam pelos vários estágios de queima nuclear.

A análise leva em consideração a mistura dentro das estrelas, a perda de massa ao longo de suas vidas e como o material ejetado pela supernova se mistura no meio interestelar. A partir dessa modelagem, foi descoberto que estrelas massivas da População III, entre 1.000 e 10.000 massas solares, podem produzir as abundâncias elementares observadas em GS 3073. Estrelas menos massivas não produzem razões N/O suficientemente altas, e estrelas mais massivas têm razões oxigênio-hidrogênio muito menores, sugerindo fortemente limites de massa superior e inferior para as possíveis estrelas supermassivas que poderiam ter produzido a composição química de GS 3073. 

Este estudo da GS 3073 é o primeiro do gênero a confirmar as marcas químicas de estrelas da População III em sua galáxia hospedeira neste desvio para o vermelho. A abundância única de nitrogênio só pode ser produzida por meio das fases evolutivas de estrelas da População III que queimam rápido o suficiente para produzir e liberar uma quantidade excessiva de nitrogênio, enquanto outros elementos permanecem consistentes. A partir de sua modelagem, os pesquisadores sugerem que galáxias com excesso de nitrogênio ainda maior podem existir, e novas observações com o JWST podem encontrá-las.

A busca por estrelas da População III está em plena expansão; outro estudo recente examinou a galáxia LAP1-B. Enquanto GS 3073 mostra evidências de estrelas da População III por meio de abundâncias químicas, o estudo de LAP1-B descobriu que a galáxia corresponde às previsões teóricas para os ambientes de formação e distribuições de massa de estrelas da População III. Ambos os trabalhos de pesquisa atuais estão lançando as bases para a riqueza de descobertas possíveis com o JWST, e as primeiras estrelas do Universo não estão mais fora de alcance.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: American Astronomical Society

A expansão do Universo pode estar abrandando, não acelerarando

Um novo estudo sugere que a expansão do Universo pode, de fato, ter começado a abrandar, em vez de acelerar a um ritmo cada vez maior, como se pensava anteriormente.

© High-Z Supernova Search (supernova SN 1994d vista na galáxia NGC 4526)

Descobertas notáveis lançam dúvidas sobre a teoria de longa data de que uma força misteriosa conhecida como "energia escura" está afastando galáxias distantes cada vez mais depressa. Ao invés, não mostram evidências de um Universo em aceleração. Se os resultados forem confirmados, poderão abrir um capítulo inteiramente novo na busca para descobrir a verdadeira natureza da energia escura, resolver a "tensão de Hubble" e compreender o passado e o futuro do Universo.

Este estudo mostra que o Universo já entrou numa fase de expansão desacelerada na época atual e que a energia escura evolui com o tempo muito mais rapidamente do que se pensava. Se estes resultados se confirmarem, marcarão uma importante mudança de paradigma na cosmologia desde a descoberta da energia escura há 27 anos. 

Os astrónomos têm pensado, ao longo das últimas três décadas, que o Universo está se expandindo a um ritmo cada vez maior, impulsionado por um fenômeno invisível chamado energia escura, que atua como uma espécie de antigravidade. Esta conclusão, baseada em medições de distâncias de galáxias longínquas utilizando supernovas de Tipo Ia, ganhou o Prêmio Nobel da Física de 2011, recebido por Saul Perlmutter, Brian Schmit e Adam Riess.

No entanto, uma equipe de astrônomos da Universidade de Yonsei apresentou agora novas evidências de que as supernovas de Tipo Ia, há muito consideradas as "velas padrão" do Universo, são na realidade fortemente afetadas pela idade das suas estrelas progenitoras. Mesmo após a normalização da luminosidade, as supernovas de populações estelares mais jovens aparecem sistematicamente mais fracas, enquanto as de populações mais antigas aparecem mais brilhantes. Com base numa amostra muito maior de 300 galáxias hospedeiras, o novo estudo confirmou este efeito com uma significância extremamente elevada (99,999% de confiança), sugerindo que o escurecimento das supernovas distantes resulta não só de efeitos cosmológicos, mas também de efeitos astrofísicos estelares.

Quando este viés sistemático foi corrigido, os dados das supernovas já não correspondiam ao modelo cosmológico padrão Lambda-CDM com uma constante cosmológica, disseram os pesquisadores. Em vez disso, alinhavam-se muito melhor com um novo modelo favorecido pelo projeto DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), derivado das oscilações acústicas bariónicas (OABs), efetivamente o som do Big Bang, e dos dados do fundo cósmico de micro-ondas. Os dados corrigidos das supernovas e os resultados das OABs e fundo cósmico de micro-ondas indicam que a energia escura enfraquece e evolui significativamente com o tempo.

Mais importante ainda, os pesquisadores disseram que quando os dados corrigidos das supernovas foram combinados com os resultados das OABs e do fundo cósmico de micro-ondas, o modelo padrão Lambda-CDM foi excluído com uma significância esmagadora. O mais surpreendente de tudo é que esta análise combinada indica que o Universo não está hoje acelerando como se pensava anteriormente, mas que já transitou para um estado de expansão desacelerada.

No projeto DESI, os principais resultados foram obtidos através da combinação de dados não corrigidos de supernovas com medições de oscilações acústicas bariônicas, o que levou à conclusão de que, embora o Universo venha desacelerar no futuro, ainda está acelerando atualmente. 

Após o Big Bang e a rápida expansão do Universo há cerca de 13,8 bilhões de anos, a gravidade abrandou-a. Mas em 1998, verificou-se que nove bilhões de anos após o início do Universo, a sua expansão tinha começado a acelerar de novo, impulsionada pela energia escura, mas apesar de constituir cerca de 70% do Universo, continua sendo considerada um dos maiores mistérios da ciência.

No ano passado, dados do DESI em Tucson, Arizona, EUA, sugeriram que a força exercida pela energia escura tinha mudado ao longo do tempo, e as evidências de tal têm aumentado desde então. A esperança é que, com estas novas ferramentas no seu arsenal, os astrônomos estejam agora mais bem equipados para encontrar pistas sobre o que é exatamente a energia escura e como influencia o Universo.

Um artigo foi publicado no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: Royal Astronomical Society

Um objeto raro e misterioso no espaço

Uma estrutura incomum de anéis duplos observada no espaço com a ajuda de cientistas cidadãos revelou-se uma raridade cósmica.

© LOFAR (galáxia RAD J122622.6+640622)

A anomalia celestial, captada pelo radiotelescópio Low-Frequency Array (LOFAR), é um círculo de rádio estranho, também conhecido como Odd Radio Circle (ORC), provavelmente consistem em plasma magnetizado, ou seja, gás carregado fortemente influenciado por campos magnéticos, e são tão massivos que galáxias inteiras residem em seus centros.

Estendendo-se por centenas de milhares de anos-luz, eles frequentemente atingem de 10 a 20 vezes o tamanho da nossa Via Láctea. Mas também são incrivelmente tênues e geralmente detectáveis apenas por meio do espectro de rádio.

O círculo de rádio ímpar recém-descoberto, denominado RAD J131346.9+500320, é o mais distante conhecido até o momento, localizado a 7,5 bilhões de anos-luz da Terra (um ano-luz é a distância que a luz percorre em um ano, cerca de 9,46 trilhões de quilômetros), e o primeiro descoberto por cientistas cidadãos. É também apenas o segundo círculo de rádio incomum possuindo dois anéis, que foram descobertos pela primeira vez há cerca de seis anos, mas as estruturas permanecem amplamente enigmáticas.

A RAD@home Astronomy Collaboratory é uma comunidade online aberta a qualquer pessoa com formação em ciência, onde astrônomos treinam os usuários para reconhecer padrões em trechos tênues e difusos de ondas de rádio e analisar imagens astronômicas.

O estranho círculo de rádio recém-descoberto apareceu em dados do LOFAR, composto por milhares de antenas na Holanda e em toda a Europa, formando um grande radiotelescópio. É a maior e mais sensível ferramenta que opera em baixas frequências. Embora os participantes do RAD@home Astronomy Collaboratory não tenham sido especificamente treinados para procurar círculos de rádio estranhos, a estrutura incomum de anel duplo se destacou, marcando o primeiro círculo de rádio estranho identificado com o LOFAR. 

Os anéis parecem se cruzar, o que os pesquisadores acreditam ser devido ao nosso ponto de vista a partir da Terra, mas provavelmente estão separados no espaço. O par se estende por 978.469 anos-luz de diâmetro. Astrônomos já acreditaram que os estranhos círculos de rádio poderiam ser gargantas de buracos de minhoca, ondas de choque de colisões de buracos negros ou galáxias em fusão, ou ainda jatos poderosos emitindo partículas energéticas.

As nuvens de plasma provavelmente foram criadas inicialmente por jatos de material liberados pelo buraco negro supermassivo da galáxia. Uma nova onda de choque essencialmente iluminou a “fumaça” deixada pela atividade passada da galáxia. Buracos negros não devoram diretamente estrelas, gás e poeira. Em vez disso, esse material cai em um disco giratório ao redor do buraco negro. À medida que os detritos giram mais rapidamente, tornam-se superaquecidos. Os poderosos campos magnéticos ao redor dos buracos negros ajudam a canalizar essas partículas energéticas e superaquecidas para longe deles em jatos que quase atingem a velocidade da luz.

A equipe de ciência cidadã também detectou dois círculos de rádio estranhos adicionais em duas galáxias diferentes, incluindo um localizado no final de um jato poderoso que apresenta uma curva acentuada, resultando em um anel de rádio com cerca de 100.000 anos-luz de largura. Ambos os círculos de rádio estranhos estão em galáxias que ficam dentro de aglomerados maiores de galáxias, o que significa que os jatos lançados de seus buracos negros supermassivos interagem com o plasma quente ao redor, o que pode ajudar a moldar os anéis de rádio. 

No momento, a ciência cidadã parece ser a melhor abordagem,, pois é difícil treinar uma IA para detectar círculos de rádio estranhos porque há poucos exemplos conhecidos. Os ORCs são realmente difíceis de encontrar, mas sabe-se que devem haver centenas nos dados. 

A equipe acredita que o fenômeno pode servir como uma forma de registrar e preservar eventos antigos e violentos que moldaram galáxias há bilhões de anos atrás. A luz do círculo de rádio viajou por 7,5 bilhões de anos até chegar à Terra e pode fornecer informações sobre os papéis que os círculos de rádio estranhos desempenham na evolução das galáxias em diferentes escalas de tempo, algo ainda pouco compreendido.

Muitas perguntas ainda pairam sobre os círculos de rádio estranhos, incluindo por que os astrônomos só os veem em tamanhos tão grandes. Será que os círculos se expandem a partir de bolhas menores e indetectáveis? E se os círculos de rádio estranhos surgem da fusão de galáxias ou buracos negros supermassivos, por que não são observados com mais frequência? 

A ajuda de cientistas cidadãos e de telescópios de nova geração, como o Square Kilometre Array (SKA), na África do Sul e na Austrália, será essencial para responder a essas perguntas. Atualmente em construção e com previsão de conclusão para 2028, o conjunto incluirá milhares de antenas parabólicas e até um milhão de antenas de baixa frequência, criando o maior radiotelescópio do mundo. Embora essas antenas e pratos estejam em duas partes diferentes do planeta, eles formarão um único telescópio com mais de 1 milhão de metros quadrados de área coletora, permitindo que os astrônomos examinem todo o céu muito mais rapidamente do que nunca. O SKA e outros telescópios em desenvolvimento poderão observar os estranhos círculos de rádio com muito mais detalhes, ajudando os astrônomos a aprender mais sobre a evolução de buracos negros e galáxias.

O estudo foi publicado no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: RAD@home Astronomy Collaboratory

Detectado o objeto escuro de menor massa no Universo distante

Uma equipe internacional de pesquisadores, utilizando uma rede mundial de radiotelescópios, incluindo o VLBA (Very Long Baseline Array) e o GBT (Green Bank Telescope), detectou um enigmático objeto escuro com uma massa cerca de um milhão de vezes superior à do nosso Sol, sem observar qualquer emissão de luz.

© NRAO (arco de lente gravitacional e sinal de aglomerado de matéria escura)

Este é o objeto escuro de menor massa alguma vez detectado a uma distância cosmológica usando apenas a sua influência gravitacional, constituindo um marco importante na tentativa de desvendar a natureza da matéria escura.

A descoberta utiliza uma técnica conhecida como interferometria de longa linha de base para formar um telescópio global, do tamanho da Terra, que capta imagens extremamente nítidas de fenômenos cósmicos.

A equipe observou um sistema de galáxias distantes, JVAS B1938+666, onde a luz de uma galáxia de fundo sofre o efeito de lente gravitacional de uma galáxia em primeiro plano, produzindo belos arcos e imagens múltiplas.

O objeto recentemente caracterizado é indetectável nos comprimentos de onda do infravermelho ou no rádio e foi encontrado a cerca de 10 bilhões de anos-luz da Terra, cerca de 6,5 bilhões de anos após o Big Bang.

A sua detecção foi possível graças ao método de imagem gravitacional, que mapeia sensivelmente a forma como a luz de fontes de fundo é deformada por uma massa invisível. A concentração de massa, designada por "V" no estudo, tem uma massa cilíndrica equivalente a 1,13 milhões de sóis num raio de 80 parsecs. Trata-se de um nível de precisão e de distância nunca antes alcançado para objetos tão pequenos e tênues.

A equipe desenvolveu algoritmos computacionais avançados e utilizou supercomputadores para processar e modelar vastos conjuntos de dados. Isto permitirá aos astrônomos sondar a estrutura da matéria escura ao longo do tempo cósmico, abrindo a porta à descoberta de mais objetos deste tipo e examinando se as teorias atuais sobre a formação de galáxias resistem ao escrutínio.

As observações realçam ainda mais o poder de reunir radiotelescópios de todo o mundo para ultrapassar os limites da sensibilidade e da resolução angular. O GBT e o VLBA, ambos operados pelo NRAO (National Radio Astronomy Observatory) desempenharam um papel crucial nesta descoberta histórica. À medida que a equipe continua estudando outros sistemas de lentes gravitacionais, quaisquer descobertas futuras ajudarão a determinar se a abundância e a natureza destes objetos escuros são consistentes com as teorias fundamentais que governam o nosso Universo.

Um artigo foi publicado na resvista Nature Astronomy e outro no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: National Radio Astronomy Observatory

A matéria escura e a energia escura podem ser apenas uma ilusão cósmica

Os astrônomos pensam, há décadas, que a matéria escura e a energia escura constituem a maior parte do Universo. No entanto, um novo estudo sugere que poderão não existir de todo.

© Hubble (NGC 7038)

Em vez disso, o que nos parece ser matéria e energia escuras pode ser simplesmente o efeito das forças naturais do Universo enfraquecendo lentamente à medida que este envelhece.

Liderado por Rajendra Gupta, professor no Departamento de Física da Universidade de Ottawa, o estudo afirma que se as forças básicas da natureza (como a gravidade) mudarem lentamente ao longo do tempo e no espaço, podem explicar os estranhos fenômenos que observamos, tais como a forma como as galáxias evoluem e giram e como o Universo se expande.

"As forças do Universo enfraquecem, em média, à medida que este se expande", explica o professor Gupta. "Este enfraquecimento faz com que pareça que existe um impulso misterioso que faz com que o Universo se expanda mais rapidamente (que é identificado como a energia escura). No entanto, à escala das galáxias e dos aglomerados de galáxias, a variação destas forças no espaço gravitacionalmente limitado resulta numa gravidade extra (que se considera ser devida à matéria escura). Mas estas coisas podem ser apenas ilusões, resultantes da evolução das constantes que definem a força das forças".

E acrescenta: "Há dois fenômenos muito diferentes que devem ser explicados pela matéria escura e pela energia escura: o primeiro é à escala cosmológica, ou seja, a uma escala superior a 600 milhões de anos-luz, assumindo que o Universo é homogêneo e igual em todas as direções. O segundo é à escala astrofísica, ou seja, a uma escala menor o Universo é muito irregular e depende da direção. No modelo padrão, os dois cenários requerem equações diferentes para explicar as observações usando matéria escura e energia escura. O nosso é o único que as explica com a mesma equação e sem necessidade de matéria ou energia escuras".  "O que é realmente excitante é que esta nova abordagem permite-nos explicar o que vemos no céu: a rotação das galáxias, o agrupamento de galáxias e até a forma como a luz se curva em torno de objetos massivos, sem termos de imaginar que há algo escondido lá fora. Tudo isto é apenas o resultado da variação das constantes da natureza à medida que o Universo envelhece e se torna irregular".

No ano passado, o professor Gupta pôs em causa a existência da matéria escura no Universo no seu estudo à escala cosmológica. Neste trabalho à escala astrofísica, questionou os modelos teóricos atuais para as curvas de rotação das galáxias.

No novo modelo, o parâmetro frequentemente designado por α emerge do fato de se permitir a evolução das constantes de acoplamento. Com efeito, α comporta-se como uma "componente" extra nas equações gravitacionais que produz efeitos semelhantes aos que os astrônomos atribuem à matéria escura e à energia escura.

Em escalas cosmológicas, α é tratado como uma constante, por exemplo, determinado pelo ajuste de dados de supernovas. Mas localmente (à escala astrofísica), numa galáxia, dado que a distribuição da matéria comum (buracos negros, estrelas, planetas, gás, etc.) varia drasticamente, α varia, fazendo com que o efeito gravitacional extra dependa da localização dessa matéria. Assim, a nova teoria prevê que, em regiões onde existe muita matéria comum, o efeito gravitacional extra é menor, e onde a densidade de matéria detectável é baixa, é maior.

Em vez de adicionar halos de matéria escura à volta das galáxias, a atração gravitacional extra vem de α no novo modelo. Reproduz as "curvas de rotação planas" observadas (estrelas que se movem mais depressa do que o esperado nas partes exteriores das galáxias).

O professor Gupta pensa que esta ideia pode resolver alguns dos maiores quebra-cabeças da astronomia. "Durante anos, lutamos para explicar como é que as galáxias do Universo primitivo se formaram tão rapidamente e se tornaram tão massivas", afirma. "Com o nosso modelo, não é necessário assumir quaisquer partículas exóticas ou quebrar as regras da física. A linha temporal do Universo simplesmente estica-se, quase duplicando a idade do Universo e abrindo caminho para tudo o que observamos".

Efetivamente, a linha temporal alargada para a formação de estrelas e galáxias torna muito mais fácil explicar como é que estruturas grandes e complexas como galáxias e buracos negros podem ter aparecido tão cedo no Universo. Esta teoria pode mudar completamente a forma como pensamos sobre o Universo. Dá mesmo a entender que a procura de partículas de matéria escura, algo em que os cientistas gastaram anos e bilhões de dólares, poderá afinal não ser necessária. Mesmo que as partículas exóticas sejam encontradas experimentalmente, teriam de constituir cerca de seis vezes a massa da matéria comum. Talvez os maiores segredos do Universo sejam apenas constituídos pelas constantes evolutivas da natureza.

Um artigo foi publicado no periódico Galaxies.

Fonte: University of Ottawa

O buraco negro mais antigo do Universo

Astrônomos identificaram o buraco negro mais distante do Universo.

© Erick Zumalt (ilustração da galáxia CAPERS-LRD-z9)

O buraco negro e a galáxia hospedeira, CAPERS-LRD-z9, estão presentes 500 milhões de anos após o Big Bang. Isto coloca-o 13,3 bilhões de anos no passado, quando o Universo tinha apenas 3% da sua idade atual, constituindo uma oportunidade única para estudar a estrutura e a evolução deste período enigmático.

Embora os astrônomos tenham encontrado alguns candidatos mais distantes, ainda não encontraram a assinatura espectroscópica distinta associada a um buraco negro. Com a espectroscopia, é possível analisar a luz nos seus vários comprimentos de onda para estudar as características de um objeto. Para identificar buracos negros, são procurados indícios de gás em movimento rápido. À medida que circula e cai num buraco negro, a luz do gás que se afasta de nós é esticada para comprimentos de onda muito mais vermelhos, e a luz do gás que se aproxima de nós é comprimida para comprimentos de onda muito mais azuis.

Os astrônomos utilizaram dados do programa CAPERS (CANDELS-Area Prism Epoch of Reionization Survey) do telescópio espacial James Webb para a sua pesquisa. Lançado em 2021, o JWST fornece as vistas mais distantes disponíveis do espaço, e o CAPERS fornece observações da orla mais externa.

Inicialmente visto como uma mancha interessante nas imagens do programa, CAPERS-LRD-z9 acabou por fazer parte de uma nova classe de galáxias conhecidas como "Pequenos Pontos Vermelhos". Presentes apenas nos primeiros 1,5 bilhões de anos do Universo, estas galáxias são muito compactas, vermelhas e inesperadamente brilhantes. Por um lado, esta galáxia vem juntar-se à evidência crescente de que os buracos negros supermassivos são a fonte do brilho inesperado dos Pequenos Pontos Vermelhos. Normalmente, esse brilho indicaria uma abundância de estrelas numa galáxia. No entanto, os Pequenos Pontos Vermelhos existem num momento em que uma massa tão grande de estrelas é improvável. 

Esta galáxia é também notável pela dimensão colossal do seu buraco negro. Estimado em 300 milhões de vezes mais do que o nosso Sol, a sua massa chega a ser metade da de todas as estrelas da galáxia. Mesmo entre os buracos negros supermassivos, este é particularmente grande. Encontrar um buraco negro tão massivo tão cedo fornece aos astrônomos uma oportunidade valiosa para estudar o desenvolvimento destes objetos. Um buraco negro presente no Universo mais recente terá tido diversas oportunidades de aumentar de volume durante a sua vida. Mas um presente nas primeiras centenas de milhões de anos não teria.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: McDonald Observatory