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nov 17

As estrelas primodiais alimentadas pela matéria escura conteriam os segredos do Universo?

Visão artística do Universo Primordial. Crédito: Adolf Schaller NASA-MSFC

Visão artística do Universo Primordial. Crédito: Adolf Schaller NASA-MSFC

As primeiras estrelas do Universo podem ter sido muito diferentes das estrelas que vemos na atualidade, até podem trazer pistas para compreender algumas das misteriosas características do Cosmos. Estas “estrelas obscuras”, teorizadas pela primeira vez em 2007, poderiam crescer e até tornar-se muito maiores que as estrelas modernas. Assim estas estrelas primordiais poderiam ter sido alimentadas por partículas de matéria escura que se aniquilariam em seu interior, no lugar da fusão nuclear. No início do Universo, as estrelas obscuras devem ter emitido luz visível como o Sol, mas atualmente sua luz estaria desviada de forma extrema para o vermelho (pelo efeito Doppler da velocidade da expansão do Universo), chegando até nós na faixa de freqüências do infravermelho. Desta forma, considerando este desvio, as estrelas primordiais seriam obscuras para nós, isto é, invisíveis para nós à primeira vista.

As estrelas obscuras poderiam crescer mais que as estrelas normais e poderiam colapsar para formar os gigantescos buracos negros nos núcleos das galáxias. Embora invisíveis aos olhos humanos, as estrelas obscuras seria detectáveis no infravermelho. Crédito: University of Utah

As estrelas obscuras poderiam crescer mais que as estrelas normais e poderiam colapsar para formar os gigantescos buracos negros nos núcleos das galáxias. Embora invisíveis aos olhos humanos, as estrelas obscuras seria detectáveis no infravermelho. Crédito: University of Utah

Durante os dois últimos anos, os pesquisadores têm estudado em maior detalhe as propriedades das estrelas obscuras, para buscar entender como poderiam estas incomuns estrelas ajudar aos cientistas a compreender a matéria escura, buracos negros e outras características astronômicas. Em um novo estudo, o grupo de cientistas que originalmente teorizou as estrelas obscuras apresentou uma revisão de sua investigação sobre a matéria e previu futuras áreas de investigação. Katherine Freese da Universidade de Michigan; Paolo Gondolo da Universidade de Utah; Peter Bodenheimer da Universidade de Califórnia em Santa Cruz; e Douglas Spolyar, atualmente no Fermilab, publicaram seus resultados em um recente exemplar do New Journal of Physics.

A evolução estelar ganha mais uma fase

Tal e como explicam os cientistas, as estrelas obscuras representaram uma nova fase da evolução estelar, que ocorreu apenas 200 milhões de anos depois do Big Bang. Naquela época, a densidade de matéria escura no jovem Universo era bem maior que a atual, e as primeiras estrelas provavelmente se formaram no centro de halos de matéria escura (os quais são os precursores das galáxias), em oposição a as estrelas atuais que estão dispersas pelas bordas de suas galáxias. De acordo com a teoria, estas jovens estrelas teriam crescido maiores que as estrelas atuais, capturando massa via acresção dos seus arredores, acumulando matéria escura junto com o gás vizinho.

Dentro destas estrelas, as partículas massivas de interação fraca (WIMPs), um dos possíveis candidatos para compor a matéria escura, poderiam se acumular. Dado que as WIMPs podem ser suas próprias anti-partículas, poderiam aniquilar-se para produzir uma fonte de calor. Se a densidade de matéria escura fosse bastante alta, este calor dominaria sobre outros mecanismos de aquecimento (ou resfriamento), tais como a fusão nuclear. Comparado com a nucleossíntese estelar, a aniquilação de WIMPs é uma fonte de energia muito eficiente, assim, só seria necessário uma pequena quantidade de matéria escura para energizar a estrela.

“As estrelas obscuras são uma conseqüência natural das WIMPs como partículas de matéria escura… embora tenhamos levado algum tempo para unirmos todos os ingredientes necessários para concluirmos isto!”, disse Freese a PhysOrg.com. “No momento em que propusemos estes objetos em 2007, não tínhamos percebido que estes corpos seriam também efetivamente estrelas no sentido de serem objetos hidrostaticamente estáveis que brilham e produzem luz visível. Agora que tivemos êxito em encontrar o modelo da estrutura estelar de estes objetos, passamos a compreender suas propriedades: são enormes objetos inchados (como sóis que se estenderiam além do radio orbital da Terra) e a luz que produzem se parece muito a procedente do Sol. Mas crescem até converter-se em mil ou até milhões de vezes mais massivos! Estes são nossos novos resultados desde que começamos a investigar em este área pela primeira vez”.

Como explicaram os cientistas, as estrelas modernas finalmente esgotam seu hidrogênio e mudam para outro tipo de estrelas no diagrama da seqüência principal. Por outro lado, as estrelas obscuras podem seguir crescendo de forma indefinida, sempre que continuam absorvendo por acresção a matéria escura de seus arredores. Se não sofrerem perturbações externas, estas estrelas poderiam potencialmente crescer até se tornar dezenas de milhares de vezes maiores que o Sol. Entretanto, a maior parte de estrelas obscuras provavelmente se afastaria afinal de suas posições nos centros dos halos de matéria escura. Seu combustível de matéria escura se esgotaria, então estas estrelas começariam a colapsar, finalmente passariam a ser alimentadas pela fusão dos átomos de hidrogênio normal das estrelas como as conhecemos e no final colapsariam em buracos negros. Os cientistas calcularam que as estrelas obscuras têm um tempo de vida  curto desde um milhão de anos até bilhões de anos. Assim, elas poderiam até estar por aqui agora.

Os cientistas prevêem que deveria ser possível detectar estrelas obscuras, tanto detectando sua radiação com telescópios de nova geração ou usando telescópios de neutrinos para medir os neutrinos procedentes destas estrelas obscuras. Em comparação com as estrelas de seqüência principal, as estrelas obscuras que esgotam seu combustível de matéria escura e começam a realizar a nucleossíntese estelar seriam muito maiores, frias e “inchadas”. E enquanto as estrelas obscuras finalmente se convertem em buracos negros, as primeiras estrelas na visão tradicional (sem matéria escura) se converteriam em supernovas, dando aos pesquisadores um ponto de comparação.

As supernovas primordiais

“Estas supernovas encheram o Universo com uma abundância de elementos em proporções harmônicas e precisamente distribuídas (a proporção entre elementos químicos pares e impares é muito bem determinada)”, explica Freese. “Entretanto, nós previmos que isto não ocorre nas estrelas obscuras. Portanto, esta distinção proporciona uma prova mensurável dos dois diferentes cenários. Esta abundância de elementos será medida nos próximos cinco anos e assim nós iremos saber”.

Medindo as propriedades das estrelas obscuras com futuros instrumentos, os cientistas poderão descobrir propriedades detalhadas da matéria escura. Uma vez que diferentes partículas de matéria escura produzem distintos produtos de aniquilação, as futuras medidas poderão revelar informação sobre as características da matéria escura, tais como sua massa, mecanismos de aniquilação, etc. Freese também planeja investigar se as estrelas obscuras começaram a tornar-se bastante grandes para produzir os gigantescos buracos negros primordiais cuja origem atualmente é inexplicável.

A origem do buracos negros supermassivos será explicada?

“Até o momento já construímos simulações estrelas obscuras com 1.000 vezes a massa do Sol”, comenta. “Mas se as estrelas obscuras seguem acumulando matéria escura capturando-a de seus arredores por acresção, elas acabam por terminar muito maiores: possivelmente até um milhão de vezes mais massivas que o Sol. Este é meu objetivo imediato a respeito do empreendimento de investigação. Tais objetos supermassivos foram propostos pela primeira vez na década de 1960 por Fowler e Hoyle, mas ninguém sabia como foram criados. Se isto é correto, certamente ajudaria a explicar os enormes buracos negros que vemos hoje no Universo e que não sabemos como explicar: quando as estrelas supermassivos morrem, elas se convertem em buracos negros. Existem buracos negros de bilhões de massas solares que surgiram, basicamente, ao mesmo momento que se formaram as primeiras galáxias, assim como os núcleos das mesmas”.

Artigo de referência: Katherine Freese, Peter Bodenheimer, Paolo Gondolo, and Douglas Spolyar. Dark stars: a new study of the first stars in the Universe” New Journal of Physics 11 (2009) 105014.

Fontes

Physorg.com: Stars Fueled by Dark Matter Could Hold Secrets to the Universe

PhysicsWorld.com: ‘Dark stars’ may have populated early universe

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