Estrelas monstruosas podem ter sido avistadas no início do universo.

O Telescópio Espacial James Webb (JWST) foi concebido, entre outros objectivos, para ajudar a desvendar um dos maiores enigmas da cosmologia moderna: como nasceram os buracos negros supermassivos (SMBHs).

Há mais de duas décadas que os astrónomos tentam perceber como é que estes gigantes gravitacionais - com milhões a milhares de milhões de massas solares - já conseguiam existir menos de mil milhões de anos após o Big Bang. De acordo com os modelos cosmológicos mais aceites, não teria havido tempo suficiente para formar buracos negros tão massivos apenas pelos mecanismos “habituais”, como o crescimento progressivo e as fusões sucessivas.

O JWST e a origem dos buracos negros supermassivos (SMBHs)

Observações recentes vieram pôr esses modelos sob pressão e reforçaram uma hipótese alternativa: a de que as “sementes” dos SMBHs podem ter surgido directamente do colapso de enormes nuvens de gás cósmico - os chamados buracos negros de colapso directo (DCBHs).

A outra via possível passa pela existência, no Universo primordial, de estrelas tão massivas que, ao morrerem, deixariam para trás buracos negros já muito grandes. Essas primeiras estrelas são conhecidas como População III.

GS 3073, o JWST e a pista química das “estrelas-monstro” da População III

Com dados do JWST, uma equipa internacional encontrou a primeira evidência a favor da ideia de que, no Universo muito jovem, existiram “estrelas-monstro” com 1 000 a 10 000 massas solares.

A equipa foi liderada por Devesh Nandal, bolseiro de pós-doutoramento da Fundação Nacional Suíça para a Ciência, ligado à University of Virginia e ao Institute for Theory and Computation (ITC) no Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics (CfA). Participaram também Daniel Whalen, docente sénior de Cosmologia no Institute of Cosmology and Gravitation (ICG) da University of Portsmouth; Muhammad A. Latif, astrofísico da United Arab Emirates University (UAEU); e Alexander Heger, investigador da School of Physics and Astronomy da Monash University.

A análise centrou-se em assinaturas químicas na galáxia GS 3073, inicialmente identificada em 2022 por Latif, Whalen e colaboradores do Institute for Astronomy (IfA) da University of Edinburgh, da University of Exeter e do Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Centre.

Na altura, a equipa que detectou o objecto destacou uma razão azoto-oxigénio (nitrogen-to-oxygen ratio) extraordinariamente elevada (0,46), muito acima do que qualquer tipo conhecido de estrela ou explosão estelar consegue explicar. Isso levou-os a propor que as primeiras estrelas do Universo, a População III, teriam nascido a partir de escoamentos turbulentos de gás frio apenas algumas centenas de milhões de anos depois do Big Bang.

Foi ainda assinalado que a GS 3073 alberga, no centro, um buraco negro em acreção activa, o que pode corresponder ao remanescente de uma dessas “estrelas-monstro”. A existência de um objecto estelar deste género ajudaria também a entender por que razão o Webb já detectou vários quasares existentes antes de passar mil milhões de anos após o Big Bang.

Núcleos Galácticos Activos (AGNs): por que motivo os quasares brilham tanto?

Os quasares são um caso extremo do fenómeno conhecido como Núcleos Galácticos Activos (AGNs). Eles resultam de SMBHs nos centros das galáxias, que aceleram gás e poeira em queda para velocidades próximas da velocidade da luz. Nesse processo liberta-se uma quantidade colossal de energia, capaz de fazer com que a região central, temporariamente, brilhe mais do que todas as estrelas do disco galáctico.

Nandal afirmou, numa nota de imprensa da University of Portsmouth, que:

As abundâncias químicas funcionam como uma impressão digital cósmica, e o padrão observado na GS 3073 não se parece com nada do que as estrelas comuns conseguem produzir. O seu azoto extremo só coincide com um tipo de fonte que conhecemos: estrelas primordiais milhares de vezes mais massivas do que o nosso Sol.

Isto indica que a primeira geração de estrelas incluiu objectos verdadeiramente supermassivos, que ajudaram a moldar as galáxias iniciais e podem ter lançado as “sementes” dos buracos negros supermassivos que vemos hoje.

Como as estrelas de 1 000 a 10 000 massas solares podem produzir a razão azoto-oxigénio observada

Para verificar a hipótese, Latif, Whalen e colegas simularam a evolução de estrelas com 1 000 a 10 000 massas solares e os elementos químicos que libertariam. Assim, conseguiram apontar um mecanismo específico capaz de explicar a razão azoto-oxigénio (nitrogen-to-oxygen ratio) medida na GS 3073.

O cenário começa com estas estrelas-monstro a fundirem hélio no núcleo, formando carbono. Parte desse carbono “foge” para uma camada envolvente onde ocorre fusão de hidrogénio. Aí, o carbono participa em reacções que levam à produção de azoto, que é depois redistribuído pelo interior da estrela através de correntes de convecção e, por fim, libertado para o meio circundante.

Este ciclo mantém-se enquanto houver fusão de hélio no núcleo - durante milhões de anos - enriquecendo gradualmente a nuvem de gás à volta até que se atinja o excesso de azoto capaz de gerar a razão observada. O modelo da equipa sugere ainda que estas estrelas-monstro não terminam em supernovas; em vez disso, colapsam directamente em buracos negros massivos, que podem constituir as “sementes” dos SMBHs actuais.

Os investigadores concluíram também que esta assinatura de azoto não aparece em estrelas mais pequenas nem em estrelas ainda mais massivas do que este intervalo de massas. Se a interpretação se confirmar, estas estrelas poderão esclarecer dois puzzles que emergiram das observações anteriores do Webb.

O que isto revela sobre as Idades Negras Cósmicas

Além disso, os resultados estão a oferecer uma nova janela para o Universo entre 380 000 anos e mil milhões de anos após o Big Bang - o período conhecido como Idades Negras Cósmicas.

Até há pouco tempo, esta época era quase inacessível porque a luz produzida então é demasiado ténue para os instrumentos tradicionais, exigindo óptica infravermelha de última geração como a do JWST. A equipa antecipa que futuras campanhas de observação revelarão mais galáxias com excessos de azoto semelhantes, permitindo testar de forma mais robusta a possível existência destas estrelas-monstro.

Uma peça essencial deste avanço é a capacidade do JWST para fazer espectroscopia no infravermelho: ao decompor a luz das galáxias distantes, é possível medir linhas de emissão e inferir abundâncias químicas no gás. Na prática, isso transforma a composição química em evidência observável sobre que tipos de estrelas viveram - e morreram - nos primórdios do cosmos.

Se estas estrelas supermassivas foram comuns, terão também contribuído para alterar rapidamente o ambiente das primeiras galáxias, afectando o aquecimento, a ionização do gás e o ritmo de formação estelar. Esse impacto ajuda a enquadrar como certas galáxias e AGNs puderam crescer tão cedo, num Universo ainda em transformação profunda.

Whalen resumiu assim a importância do resultado:

A nossa mais recente descoberta ajuda a resolver um mistério cósmico com 20 anos. Com a GS 3073, temos a primeira evidência observacional de que estas estrelas-monstro existiram. Estes gigantes cósmicos ter-se-iam consumido de forma brilhante durante pouco tempo antes de colapsarem em buracos negros massivos, deixando para trás assinaturas químicas que conseguimos detectar milhares de milhões de anos depois.

Um pouco como os dinossauros na Terra - eram enormes e primitivos. E tiveram vidas curtas, vivendo apenas um quarto de milhão de anos - um pestanejar à escala cósmica.

Este artigo foi publicado originalmente no Universo Hoje. Leia o artigo original.