Esses criadores cósmicos, movidos pela matéria escura, podem ser os responsáveis por nossa existência, juntamente com o surgimento do universo atual.
Uma estrela morre. Um súbito flash de luz significa o fim de uma explosão de supernova. Isso, no entanto, é apenas parte do ciclo de vida das estrelas, pois os ricos materiais criados durante o estertor da estrela são ejetados para o espaço pela supernova.
Quando a próxima geração de estrelas se forma, elas varrem os restos da supernova, agregando os metais que a estrela moribunda produziu – metais sendo o termo que os astrônomos usam para designar qualquer coisa mais pesada do que hidrogênio e hélio. Os metais são importantes; sem eles, o disco de gás e poeira ao redor de uma estrela recém-formada não poderia criar planetas rochosos. Mas se novas estrelas reciclam os metais produzidos na morte de estrelas velhas, o que as primeiras estrelas fizeram?
O universo começou com o Big Bang, que criou os gases hidrogênio e hélio, traços de lítio e talvez berílio também. A matéria começou a se aglomerar, puxando cada vez mais material por meio da atração gravitacional. Pode ter sido matéria escura – a substância misteriosa que ainda não foi detectada diretamente – que começou a se acumular primeiro. Isso então atraiu a matéria comum, as coisas que podemos ver, como hidrogênio e hélio. Juntas, a matéria escura e comum criaram o que é conhecido como ‘minihalo’, embora o nome seja um tanto enganoso, já que os minihalos tinham massas cerca de um milhão de vezes a do nosso sol.
Foi nos mini halos que as primeiras estrelas nasceram 200 milhões de anos após o Big Bang.
As primeiras estrelas são conhecidas como estrelas de População III e nenhuma jamais foi observada, pois são muito fracas. As primeiras estrelas tiveram que se contentar com o que tinham disponível e se formaram a partir de nuvens contendo apenas hidrogênio e hélio. Quando morreram em explosões de supernovas, produziram os primeiros metais para a subsequente população de estrelas, População II, que possui uma pequena proporção de metais. Isso deu origem às estrelas da População I, ricas em metais, que temos hoje.
A matéria escura no minihalo pode ter feito mais do que juntar elementos – também pode ter estado presente nas profundezas das primeiras estrelas. Essas estrelas são conhecidas como ‘estrelas escuras’, devido à matéria escura dentro delas, embora na verdade elas tivessem brilhado muito intensamente.
Tudo o que podemos ver e detectar – as estrelas e galáxias – representa apenas 5% do universo, enquanto a matéria escura compreende 25%. O resto é feito de energia escura, outra estranheza considerada responsável por acelerar a expansão do universo. Como observa o CERN, a matéria escura não interage com a matéria comum e não produz luz. Sabemos apenas que deve estar ali enquanto sua imensa força gravitacional puxa a matéria comum.
Uma das principais teorias que tentam explicar a massa invisível no universo é uma partícula hipotética conhecida como WIMP – uma partícula massiva de interação fraca. A interação ‘fracamente’ refere-se à sua relação com a matéria comum. No entanto, eles ainda interagiriam com eles mesmos. Na verdade, se dois WIMPs colidissem, eles se destruiriam em um processo conhecido como aniquilação. Isso ocorre porque teorias, como este estudo da Universidade de Maryland, prevêem que os WIMPs são suas próprias ‘antipartículas’.
A matéria comum tem antipartículas, que são partículas com as mesmas propriedades, mas com cargas opostas. Os átomos consistem em um núcleo rodeado por elétrons. Os elétrons têm carga negativa e, se encontrarem uma partícula conhecida como pósitron – com carga positiva -, o elétron e o pósitron se aniquilarão catastroficamente.
Um efeito colateral da aniquilação é que ela produz energia. Conforme uma estrela começa a se formar em um minihalo, o material em colapso conterá hidrogênio, hélio e WIMPs. No início, a energia produzida pelos WIMPs em colisão vaza para o espaço, mas quando a densidade do hidrogênio é alta o suficiente, ele retém a energia dos WIMPs dentro da estrela. Embora os WIMPs representem apenas uma pequena fração da massa da estrela, eles são tão eficientes na produção de energia que podem alimentar uma estrela negra por milhões, ou até bilhões de anos.
Ainda é incerto se todas as primeiras estrelas eram estrelas comuns da População III sem matéria escura, estrelas escuras ou se ambos os tipos de estrelas coexistiam. “O cenário padrão para a formação das primeiras estrelas não depende da aniquilação da matéria escura”, disse Erik Zackrisson da Universidade de Uppsala, na Suécia. “Estrelas escuras são simplesmente vistas como uma alternativa exótica para a rota de formação padrão.”
Estrelas comuns são alimentadas por fusão, o processo que converte hidrogênio em hélio no núcleo da estrela. As estrelas da População III teriam sido massivas, pesando cerca de 100 vezes a massa do nosso sol. No entanto, eles também eram muito quentes, o que limitava a quantidade de material que podiam acumular. As estrelas escuras, por outro lado, eram muito mais frias. Isso significava que eles poderiam acumular substancialmente mais do material ao redor e, teoricamente, continuar crescendo enquanto houvesse matéria escura suficiente para alimentá-los, como observa a NASA. Estrelas escuras poderiam ter alcançado massas até um milhão de vezes a do Sol, com uma luminosidade um bilhão de vezes mais brilhante do que ela.
Como diz o ditado, todas as coisas boas têm um fim e os WIMPs acabarão se aniquilando uns aos outros. Ao contrário das estrelas da População III, que terminam suas vidas como supernovas, as estrelas escuras são tão massivas que estão fadadas a se tornar um buraco negro. As estrelas escuras menores poderiam fazer um desvio no caminho para o esquecimento, acendendo-se brevemente como uma estrela de fusão comum. Quando isso acontecesse, a estrela se contraia e ficava mais quente. O hidrogênio teria sido rapidamente consumido na barriga da estrela, e quando o motor de fusão não pudesse mais suportar a estrela, o colapso inevitável em um buraco negro teria ocorrido.
A mais massiva das estrelas escuras teria ignorado completamente o estágio de fusão, colapsando diretamente em um buraco negro. Esses buracos negros eram tão grandes que oferecem uma solução para um problema que antes confundia os cientistas. Buracos negros supermassivos, que podem ter bilhões de massas solares, existem no centro de cada galáxia e só existiram um bilhão de anos após o Big Bang. No entanto, uma estrela comum colapsando em um buraco negro precisaria de mais do que algumas centenas de milhões de anos para engolir material suficiente para se tornar um buraco negro supermassivo. ?Estrelas comuns não podem fazer isso, porque estrelas comuns são muito pequenas?, explica Katherine Freese, da Universidade do Texas em Austin. “As estrelas escuras, por outro lado, podem crescer até se tornar um milhão de vezes mais massivas que o sol e, quando ficam sem combustível, colapsam em buracos negros com milhões de massas solares, as sementes perfeitas para buracos negros supermassivos monstruosos. ”
As estrelas escuras supermassivas alimentadas por WIMP só poderiam ter se formado nos minihalos do universo primitivo, quando a densidade da matéria escura era muito maior do que é hoje. Com o tempo, conforme o universo se expandia, tudo se espalhava, então não há mais minihalos capazes de gerar estrelas escuras supermassivas.
Isso os confina ao universo primitivo, o que também significa que eles estão a uma grande distância de nós aqui na Terra. Os astrônomos usam o termo ‘redshift’ para denotar distância em cosmologia, já que a luz de um objeto distante será deslocada em direção à extremidade vermelha do espectro, permitindo que ele se afaste de nós. Estrelas escuras existem apenas em redshifts altos, tornando-as um desafio de observação. As imagens de infravermelho Ultra Deep Field obtidas pelo Hubble foram usadas para procurar estrelas escuras, mas nenhuma foi encontrada. Isso não significa necessariamente que eles não existam, já que poderia haver estrelas escuras menos luminosas à espreita além da visão do Hubble. O próximo grande telescópio, o James Webb Space Telescope (JWST) – com lançamento previsto para outubro de 2021 – superará seu antecessor ao olhar mais para trás no tempo.
“Se estrelas escuras existem e são suficientemente massivas, numerosas e de longa duração, então o JWST certamente tem uma chance decente de confirmar sua existência em altos redshifts”, diz Zackrisson. “No entanto, uma vez que a distribuição das propriedades das estrelas escuras depende tanto das propriedades das partículas de matéria escura quanto da evolução cosmológica dos halos de matéria escura que as hospedam, o sucesso não é de forma alguma garantido.”
Mesmo que o JWST não consiga detectar estrelas escuras individuais, ele ainda poderá detectar seu brilho geral. Assim como as luzes das ruas individuais se somam para produzir um brilho amarelo enfurecedor sobre as cidades, a luz das estrelas e galáxias se acumula no que é conhecido como luz de fundo extragaláctica (EBL). O EBL já foi mapeado até certo ponto, mas as medições aprimoradas do JWST ajudarão a detectar as contribuições de estrelas escuras, o que não era controlável antes.
Embora a aniquilação de WIMP possa teoricamente fornecer combustível suficiente para manter uma estrela escura funcionando por bilhões de anos, é improvável que qualquer uma das estrelas escuras do universo primitivo ainda esteja por aí hoje. No entanto, é possível que uma nova geração de estrelas escuras possa existir onde as concentrações de matéria escura ainda são um pouco altas, como no centro das galáxias. Como há menos matéria escura nos centros galácticos em comparação com os minihalos do universo antigo, a nova geração de estrelas escuras seria muito menos massiva – apenas equivalente à do nosso sol – e nunca será capaz de rivalizar com os dias de glória do primeiras estrelas.
Estrelas escuras de massa solar próximas ao centro da galáxia não teriam se formado enquanto prendiam WIMPs dentro delas, mas sim capturando parte da matéria escura que reside no centro da galáxia. Quando isso acontece, o aquecimento da matéria escura assume o lugar da fusão comum e as estrelas se resfriam e se expandem. Isso não apenas os faria parecer mais jovens do que realmente são, mas também poderia estender sua vida útil exponencialmente. Se houvesse matéria escura o suficiente para acumulá-la continuamente, as estrelas escuras poderiam existir indefinidamente. Estrelas escuras eternas podem marcar a vida de algumas estrelas do universo.
Outra possibilidade é que estrelas “mortas”, como estrelas de nêutrons ou anãs brancas no centro da galáxia, poderiam reunir WIMPs suficientes para acionar o aquecimento da matéria escura, conforme observado em um estudo da Queen’s University em Kingston, Ontário. Caso contrário, essas estrelas ficariam mais fracas com o tempo, mas com uma nova fonte de aquecimento, teriam uma nova vida e pareceriam estranhamente mais jovens e mais quentes do que o esperado.
Compreender os primeiros anos de nosso maravilhoso universo e como as primeiras estrelas surgiram é crucial para entender o que vemos ao nosso redor hoje, bem como compreender os objetos e fenômenos mais complexos do sistema solar. É um período tenebroso que é difícil de observar, mas com a próxima geração de telescópios, como o JWST, pode finalmente ser possível detectar as estrelas escuras supermassivas do universo inicial e suas primas menos impressionantes no centro galáctico.
Descobrir se foram estrelas de População III, estrelas escuras ou ambas as primeiras estrelas a se formar no universo terá um efeito profundo na cosmologia. Não demorará muito para que possamos lançar alguma luz sobre esses membros sombrios do cosmos.
Publicado em 18/07/2021 14h17
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