Eternos Aprendizes

Concepção artística mostrando as primeiras estrelas do Universo rodeadas por gás (em vermelho). Cortesia de David A. Aguilar (CfA)

Atualmente ainda não é possível para nós olharmos as primeiras estrelas do Universo, denominadas estrelas “População III”, com nossos telescópios, mas isso não impede que os pesquisadores entendam como esses enormes objetos estelares emergiram das eras da escuridão ["dark ages"] quando o Universo ainda era jovem.

Através de simulações por supercomputador em 3 dimensões os cientistas conseguiram obter a mais detalhada visão até o momento de como evoluíram as primeiras estrelas após o Big Bang.

Imagem da simulação computacional que estudou a formação da primeira geração de estrelas através de supercomputadores. Crédito: Science/AAAS

O modelo computacional segue a física simples que regia o início do Universo para simular como as frias nuvens de gás eventualmente se converteram em gigantescos embriões estelares. Essas sementes estelares cresceram e tornaram-se estrelas bem maiores que o Sol acendendo as “luzes do Universo”, pondo fim na “idade das trevas” que dominou o Universo no primeiro bilhão de anos após o seu nascimento no Big Bang.

“Até colocarmos essa física primordial no algoritmo da simulação computacional, não era realmente possível avaliar-se como as primeiras proto-estrelas se formaram”, disse Lars Hernquist, astrofísico da Universidade de Harvard cujo modelo de simulação das primeiras estrelas está detalhado na revista Science.

A misteriosa “matéria escura” proporcionou o primeiro empurrão gravitacional para que o gás composto de hidrogênio e hélio começasse a se agrupar, explicou Hernquist. O gás começou a liberar energia conforme se condensava, formando moléculas a partir dos íons, o que resfriou ainda mais a nebulosa e permitiu uma maior condensação.

Ao contrário dos modelos anteriores simplificados, as últimas simulações computacionais levam em consideração este processo de resfriamento de “transferência radioativa complexa”, complementou o astrofísico da Universidade de Nagoya, Naoki Yoshida, que liderou este projeto de modelagem computacional.

Eventualmente a gravidade não poderia condensar mais a nuvem de gás, devido ao fato que o gás densamente condensado exercia pressão impedindo um maior colapso. Tal ponto de equilíbrio marcou o inicio da formação de um embrião estelar, denominado proto-estrela pelos astrônomos.

Simulação de proto-estrela mostra o gás hidrogênio tornando-se cada vez mais concentrado. (A) Distribuição em larga escala formando o halo (largura: 300 parsecs). (B) Nuvem de formação da estrela gravitacionalmente ligada (largura: 5 parsecs) (C) A parte central da do núcleo em uma área menor, formando uma espiral achatada e em rotação (largura: 10 UA). (D) A proto-estrela gerada (largura: 25 raios-solares). Cortesia de Yoshida et al. (2003, 2006, 2007) Astrophysical Journal

As simulações executadas demonstram que a primeira proto-estrela provavelmente tenha se formado com apenas um 1% da massa do Sol, mas essa proto-estrela iria ser acrescida de mais 100 massas solares em apenas 10.000 anos.

“Nenhuma simulação anterior havia jamais chegado ao ponto de identificar esta importante etapa no nascimento de uma estrela“, reforçou Hernquist.

As primeiras proto-estrelas alcançaram um tamanho tão massivo devido a sua baixa metalicidade, ou seja, consistiam somente de elementos simples tais como o hidrogênio e o hélio. Uma existência tão inchada significa que as estrelas que finalmente se formariam de tais proto-estrelas tinham massa suficiente para poder criar elementos mais pesados tais como o oxigênio, carbono, nitrogênio e ferro em suas ferozes caldeiras.

Os investigadores seguem trabalhando com a intenção de finalmente executar uma simulação de todo o processo até o ponto em que as proto-estrelas entrem em ignição para converter-se em autênticas estrelas. O que ainda tem que ser investigado, segundo Abraham Loeb do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, é a real quantidade de gás que o núcleo da estrela primordial consegue acumular depois do início da nucleosíntese do hidrogênio. Essa massa acumulada é a que determina o destino final da estrela: supernova ou buraco negro.

Loeb completa dizendo que se acredita que a estrela pare de crescer quando atinge algumas dezenas vezes a massa do Sol o que permite a sua morte gloriosa como uma supernova, em uma explosão que espalha os elementos químicos pelo espaço e forma as sementes para novas estrelas menores. Há, contudo, a probabilidade da estrela continuar crescendo até atingir várias centenas de massas solares e nesse caso a  mega-estrela colapsaria diretamente em um buraco negro levando consigo os elementos químicos.

Um dos maiores objetivos do novo telescópio orbital James Webb Space Telescope (JWST), o sucessor do Hubble, a ser lançado em 2013, é tentar observar o tênue brilho das primeiras galáxias para confirmar e ampliar os entendimentos das estrelas primordiais na próxima década.

Referências e Fontes:

arXiv.org: Protostar Formation in the Early Universe por Naoki Yoshida, Kazuyuki Omukai e Lars Hernquist

Sciencemag.org: Protostar Formation in the Early Universe por Naoki Yoshida, Kazuyuki Omukai e Lars Hernquist

The Wall Street Journal (Science): The Making of the First Star [Computer Experiment Captures The Universe in Its Infancy Following the Big Bang] por Robert Lee Hotz

Space.com: How the First Stars Were Born por Jeremy Hsu

New Scientist Space:  Universe’s first stars bulk up in new simulation por Stephen Battersby

ScienceDaily.com: How The First Stars In The Universe Came Into Existence

Scientific American: New Simulation Shows How Seeds of First Stars Formed [Formation of protostars from hydrogen gas ended cosmic dark ages] por JR Minkel

Scientific American: The Dark Ages of the Universe [Astronomers are trying to fill in the blank pages in our photo album of the infant universe] por Abraham Loeb

Scientific American (atualizado em 19/01/2009, em virtude das novas descobertas apresentadas na AAS): The First Stars in the Universe* [Exceptionally massive and bright, the earliest stars changed the course of cosmic history] por Richard B. Larson and Volker Bromm

* leitura recomendada (excepcional artigo sobre o tema “primeiras estrelas”)

Censo Demográfico da Via Láctea – População III by Vinicius Placco