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As estrelas mais antigas do Universo em nosso próprio quintal galáctico

Três estrelas que circundam o halo da Via Láctea formaram-se há 12 a 13 mil milhões de anos.

Astrônomos do MIT descobriram três das estrelas mais antigas do universo, e eles l
Os astrônomos do MIT descobriram três das estrelas mais antigas do universo, e elas vivem em nossa própria vizinhança galáctica. As estrelas estão no “halo” da Via Láctea – a nuvem de estrelas que envolve o disco galáctico principal – e parecem ter-se formado entre 12 e 13 mil milhões de anos atrás, quando as primeiras galáxias estavam a tomar forma.

Pesquisadores do MIT, incluindo vários estudantes de graduação, descobriram três das estrelas mais antigas do universo, e elas vivem em nossa própria vizinhança galáctica.

A equipe avistou as estrelas no “halo” da Via Láctea – a nuvem de estrelas que envolve todo o disco galáctico principal. Com base na análise da equipa, as três estrelas formaram-se entre 12 e 13 mil milhões de anos atrás, altura em que as primeiras galáxias estavam a tomar forma.

Os pesquisadores cunharam as estrelas “SASS”, para estrelas do Sistema Estelar Pequeno Agregado, pois acreditam que cada estrela pertenceu à sua própria galáxia pequena e primitiva, que mais tarde foi absorvida pela Via Láctea, maior, mas ainda em crescimento. Hoje, as três estrelas são tudo o que resta das suas respectivas galáxias. Eles circundam os arredores da Via Láctea, onde a equipe suspeita que possa haver mais sobreviventes estelares antigos.

“Essas estrelas mais antigas deveriam definitivamente estar lá, dado o que sabemos sobre a formação de galáxias”, diz Anna Frebel, física do MIT. “Eles fazem parte da nossa árvore genealógica cósmica. E agora temos uma nova maneira de encontrá-los.”

À medida que descobrem estrelas SASS semelhantes, os investigadores esperam usá-las como análogas de galáxias anãs ultrafracas, que se pensa serem algumas das primeiras galáxias sobreviventes do Universo. Essas galáxias ainda estão intactas hoje, mas são muito distantes e fracas para serem estudadas em profundidade pelos astrónomos. Como as estrelas SASS podem ter pertencido a galáxias anãs primitivas semelhantes, mas estão na Via Láctea e, como tal, muito mais próximas, podem ser uma chave acessível para a compreensão da evolução de galáxias anãs ultrafracas.

“Agora podemos procurar mais análogos na Via Láctea, que sejam muito mais brilhantes, e estudar a sua evolução química sem ter de perseguir estas estrelas extremamente ténues,” diz Frebel.

Ela e seus colegas publicaram suas descobertas hoje no Avisos mensais da Royal Astronomical Society (MNRAS). Os coautores do estudo são Mohammad Mardini, da Universidade Zarqa, na Jordânia; Hillary Andales '23; e os atuais alunos de graduação do MIT, Ananda Santos e Casey Fienberg.

Fronteira estelar

As descobertas da equipe surgiram de um conceito de sala de aula. Durante o semestre de outono de 2022, Frebel lançou um novo curso, 8.S30 (Arqueologia Estelar Observacional), no qual os alunos aprenderam técnicas de análise de estrelas antigas e depois aplicaram essas ferramentas a estrelas que nunca tinham sido estudadas antes, para determinar as suas origens.

“Embora a maioria das nossas aulas sejam ministradas desde o início, esta aula colocou-nos imediatamente na fronteira da investigação em astrofísica”, diz Andales.

Os alunos trabalharam com dados de estrelas coletados por Frebel ao longo dos anos pelo telescópio Magellan-Clay de 6,5 metros no Observatório Las Campanas. Ela mantém cópias impressas dos dados em uma pasta grande em seu escritório, que os alunos vasculham em busca de estrelas de interesse.

Em particular, procuravam estrelas antigas que se formaram logo após o Big Bang, que ocorreu há 13,8 mil milhões de anos. Nessa época, o universo era composto principalmente de hidrogênio e hélio e com abundâncias muito baixas de outros elementos químicos, como estrôncio e bário. Assim, os estudantes procuraram na pasta de Frebel estrelas com espectros, ou medições de luz estelar, que indicassem baixas abundâncias de estrôncio e bário.

A sua pesquisa centrou-se em três estrelas que foram originalmente observadas pelo telescópio Magalhães entre 2013 e 2014. Os astrónomos nunca acompanharam estas estrelas em particular para interpretar os seus espectros e deduzir as suas origens. Eram, então, candidatos perfeitos para os alunos da turma de Frebel.

Os alunos aprenderam a caracterizar uma estrela para se prepararem para a análise dos espectros de cada uma das três estrelas. Eles conseguiram determinar a composição química de cada um deles com vários modelos estelares. A intensidade de uma característica particular no espectro estelar, correspondente a um comprimento de onda específico de luz, corresponde a uma abundância particular de um elemento específico.

Depois de finalizarem a análise, os alunos puderam concluir com segurança que as três estrelas continham abundâncias muito baixas de estrôncio, bário e outros elementos como o ferro, em comparação com a sua estrela de referência – o nosso próprio Sol. Na verdade, uma estrela continha menos de 1/10.000 da quantidade de ferro em hélio em comparação com o Sol hoje.

“Demorou muitas horas olhando para um computador e muita depuração, trocando mensagens de texto e e-mails freneticamente para descobrir isso”, lembra Santos. “Foi uma grande curva de aprendizado e uma experiência especial.”

“Em fuga”

A baixa abundância química das estrelas sugeria que elas se formaram originalmente entre 12 e 13 bilhões de anos atrás. Na verdade, as suas baixas assinaturas químicas eram semelhantes às que os astrónomos tinham medido anteriormente para algumas galáxias anãs antigas e ultrafracas. As estrelas da equipa tiveram origem em galáxias semelhantes? E como é que surgiram na Via Láctea? Num palpite, os cientistas verificaram os padrões orbitais das estrelas e como se movem no céu. As três estrelas estão em locais diferentes ao longo do halo da Via Láctea e estima-se que estejam a cerca de 30.000 anos-luz da Terra. (Para referência, o disco da Via Láctea abrange 100.000 anos-luz de diâmetro.)

À medida que reconstituíam o movimento de cada estrela em torno do centro galáctico usando observações do satélite astrométrico Gaia, a equipa notou uma coisa curiosa: em relação à maioria das estrelas no disco principal, que se movem como carros numa pista de corrida, todas as três estrelas pareciam estar indo na direção errada. Na astronomia, isso é conhecido como “movimento retrógrado” e é uma indicação de que um objeto já foi “agregado” ou atraído de outro lugar.

“A única maneira de fazer com que as estrelas sigam na direção errada do resto da gangue é jogá-las na direção errada”, diz Frebel.

O facto de estas três estrelas orbitarem de formas completamente diferentes do resto do disco galáctico e até mesmo do halo, combinado com o facto de possuírem baixas abundâncias químicas, constituiu um forte argumento de que as estrelas eram de facto antigas e pertenceram a galáxias mais antigas. , galáxias anãs menores que caíram na Via Láctea em ângulos aleatórios e continuaram suas trajetórias teimosas bilhões de anos depois.

Frebel, curioso para saber se o movimento retrógrado era uma característica de outras estrelas antigas no halo que os astrônomos analisaram anteriormente, examinou a literatura científica e encontrou 65 outras estrelas, também com baixas abundâncias de estrôncio e bário, que pareciam também ir contra o fluxo galáctico.

“Curiosamente, eles são todos bastante rápidos – centenas de quilômetros por segundo, indo na direção errada”, diz Frebel. “Eles estão fugindo! Não sabemos por que isso acontece, mas era a peça do quebra-cabeça que precisávamos e que eu não previ quando começamos.”

A equipa está ansiosa por procurar outras estrelas antigas do SASS e agora tem uma receita relativamente simples para o fazer: primeiro, procurar estrelas com baixa abundância química e depois seguir os seus padrões orbitais em busca de sinais de movimento retrógrado. Dos mais de 400 mil milhões de estrelas da Via Láctea, prevêem que o método irá revelar um número pequeno mas significativo das estrelas mais antigas do Universo.

Frebel planeja relançar o curso neste outono e relembra o primeiro curso e os três alunos que publicaram seus resultados com admiração e gratidão.

“Tem sido incrível trabalhar com três estudantes universitárias. Essa é a primeira vez para mim”, diz ela. “É realmente um exemplo do jeito do MIT. Nós fazemos. E quem disser: 'Quero participar', pode fazer isso, e coisas boas acontecem.”

Artigo: “As estrelas mais antigas com baixa abundância de elementos de captura de nêutrons e origens em antigas galáxias anãs”

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