Estranha galáxia sem metais pode esconder as primeiras estrelas do Universo.

Ao longo de milhares de milhões de anos, o Universo tem vindo a transformar-se de forma contínua. Como o próprio Universo está em expansão, a luz que nos chega de regiões muito distantes permite-nos “olhar” para trás no tempo e acompanhar essa evolução quase desde os seus primórdios.

Ainda assim, de tempos a tempos surge uma observação que não encaixa bem no modelo actual de como esperamos que o Universo funcione.

É precisamente isso que acontece com uma galáxia apresentada num novo artigo científico liderado por Sijia Cai, doutoranda do Departamento de Astronomia da Universidade de Tsinghua, em conjunto com colegas. A equipa identificou uma galáxia formada há cerca de 11 mil milhões de anos que parece ser praticamente “sem metais”, o que levanta a possibilidade de conter um conjunto raro de estrelas de primeira geração, conhecidas como estrelas de População III (Pop III).

O que são as estrelas de População III (Pop III) e porque importam

Antes de entrarmos na descoberta, convém enquadrar o tema. As estrelas de População III (Pop III) são consideradas a primeira geração de estrelas a surgir na história do Universo. O traço crucial é que praticamente não contêm “metais” - um termo que, em cosmologia, significa qualquer elemento mais pesado do que o hélio, ou seja, tudo o que não seja hidrogénio e hélio.

A razão é simples: esses elementos mais pesados só são produzidos no interior das próprias estrelas e, sobretudo, nas supernovas resultantes do seu fim. Por definição, a primeira geração estelar não poderia nascer já enriquecida com esses elementos.

Há décadas que os cosmólogos procuram exemplos de estrelas Pop III, mas, até agora, sem um caso confirmado.

Onde se esperava encontrar Pop III: a Época da Reionização

Normalmente, essa procura concentra-se num período chamado Época da Reionização, que decorreu até cerca de 1 mil milhões de anos após o Big Bang, quando o Universo era extremamente jovem e, ao que tudo indica, as primeiras estrelas começavam a acender-se.

Por isso, foi particularmente surpreendente para os autores encontrarem sinais de uma galáxia que parece surgir cerca de 2 mil milhões de anos depois desse período. Nessa fase do cosmos, seria de esperar que muitas estrelas já tivessem vivido e morrido, espalhando os elementos que fabricaram e “contaminando” com metais as nuvens de gás e poeira próximas - ou até outras estrelas. Pelo menos, era essa a expectativa teórica.

A galáxia MPG-CR3 (CR3): um espectro invulgar e quase “pristino”

Com dados recolhidos pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST), pelo Telescópio Muito Grande (VLT) e pelo Telescópio Subaru, os investigadores identificaram uma galáxia a que deram o nome MPG-CR3 (ou CR3, para simplificar).

O que a torna especial é a sua assinatura espectral, diferente da de outras galáxias da mesma época. O espectro mostra linhas muito nítidas de hidrogénio e hélio e, de forma marcante, uma quase ausência de metais, como o oxigénio. Na prática, o limite superior estimado para a metalicidade das estrelas da galáxia aponta para apenas 0,7% da metalicidade do Sol.

Outro detalhe intrigante é que a própria galáxia aparenta ter apenas cerca de 2 milhões de anos - o que a torna muito jovem à escala das galáxias.

Conseguimos observá-la nesta fase tão precoce, apesar de ter sido formada há milhares de milhões de anos, devido à expansão do espaço-tempo: a luz que vemos hoje partiu de lá quando a galáxia ainda estava “a nascer”.

Além disso, a CR3 parece ser relativamente pobre em poeira e conter estrelas relativamente pequenas, algo que chama a atenção por se tratar de um objecto tão antigo. Em muitas galáxias do período conhecido como Meio-dia Cósmico, é comum observar populações estelares com estrelas muito mais massivas do que as típicas da Via Láctea.

MPG-CR3 (CR3) e Pop III: a linha de Hélio II (He II) que falta

Há, no entanto, uma peça importante que não aparece nos dados da CR3 e que costuma ser considerada um sinal-chave para detecção de Pop III: a linha de emissão de Hélio II (He II).

Nos dados espectrais do VLT, essa linha crítica não é visível, embora o instrumento, em condições normais, pudesse detectá-la. Os autores avançam duas explicações possíveis:

• Pode existir uma linha de emissão forte de OH (hidróxido) proveniente de outra fonte nessa região do espectro, o que acabaria por mascarar ou anular o sinal esperado de He II.
• Em alternativa, o próprio sinal de He II pode já ter diminuído, uma vez que a sua intensidade tende a cair de forma acentuada apenas alguns milhões de anos após o início da formação estelar.

Como pode uma galáxia tão tardia manter-se “sem metais”?

Isto leva à questão central: se as estrelas de primeira geração eram supostas formar-se milhares de milhões de anos antes, como conseguiu esta galáxia específica evitar o enriquecimento por metais produzidos por estrelas anteriores e terminar com estrelas aparentemente “pristinas” tão tarde na evolução do Universo?

A explicação proposta pelos autores está relacionada com a separação espacial. A CR3 parece encontrar-se numa espécie de “bolsa” vazia do cosmos.

Em termos técnicos, trata-se de uma região subdensa. A ideia é que, quando a nuvem de gás que deu origem à CR3 finalmente colapsou e começou a formar estrelas, os metais provenientes de regiões vizinhas com formação estelar activa ainda não tinham chegado até ali. Isolada dos seus “vizinhos”, a CR3 poderia ter criado a sua própria geração inicial de estrelas, relativamente à margem do que acontecia no resto do Universo.

Como se confirma uma galáxia Pop III: o que se segue

Para confirmar se esta é, de facto, a primeira galáxia Pop III alguma vez descoberta, será necessário recolher mais dados e reduzir ambiguidades observacionais - em particular no que toca à presença (ou ausência) da linha de He II. Observações adicionais, com maior sensibilidade e melhor separação de fontes contaminantes, poderão esclarecer se o sinal está efectivamente oculto ou se já desapareceu por razões evolutivas.

Também será importante comparar a CR3 com outros objectos em ambientes igualmente subdensos, para perceber se este tipo de “atraso” no enriquecimento por metais é raro ou simplesmente difícil de detectar. Se existirem mais casos semelhantes, isso pode obrigar a refinar a forma como modelamos a mistura de elementos químicos no meio intergaláctico ao longo do tempo.

Porque esta descoberta pode ser decisiva

Mesmo sem confirmação final, a CR3 é um achado de grande impacto potencial. Se se comprovar que contém estrelas Pop III, isso será uma enorme vantagem para a comunidade científica: encontrar uma galáxia rica nestas estrelas a uma distância (e época observável) mais “próxima” do que se esperava tornaria o seu estudo muito mais acessível.

Caso investigações futuras confirmem a linha de He II - ou apresentem uma explicação incontestável para a sua inexistência observável - é provável que os cosmólogos passem muito tempo a analisar esta galáxia simultaneamente jovem e, paradoxalmente, antiquíssima.

Este artigo foi publicado originalmente pela revista “Universo Hoje”.