O aglomerado de galáxias Abell 2744 fica a uma distância de cerca de 3,5 bilhões de anos-luz e contém mais de 400 galáxias membros. A gravidade combinada de todas as galáxias faz com que o aglomerado atue como uma lente para ampliar a luz das estrelas além de, a equipe espera, as primeiras estrelas a se formarem no universo. Crédito:NASA / ESA / Arizona State University (R. Windhorst e F. Timmes)
Cerca de 200 a 400 milhões de anos após o Big Bang ter criado o universo, as primeiras estrelas começaram a aparecer. Normalmente, estrelas situadas a uma distância tão grande no espaço e no tempo estariam fora do alcance até mesmo para o novo Telescópio Espacial James Webb da NASA, com lançamento previsto para 2020.
Contudo, astrônomos da Universidade do Estado do Arizona estão liderando uma equipe de cientistas que propõem que com bom tempo e alguma sorte, o Telescópio Espacial Webb será capaz de capturar a luz das primeiras estrelas a nascer no universo.
"Procurar as primeiras estrelas tem sido um objetivo da astronomia, "disse Rogier Windhorst, Professor de astrofísica dos regentes na Escola de Exploração Terrestre e Espacial da ASU. "Eles vão nos contar sobre as propriedades reais do universo primordial, coisas que apenas modelamos em nossos computadores até agora. "
Colaborador de Windhorst, Frank Timmes, professor de astrofísica na Escola de Exploração da Terra e do Espaço, adiciona, "Queremos responder a perguntas sobre o universo primordial, como, As estrelas binárias eram comuns ou a maioria das estrelas eram solteiras? Quantos elementos químicos pesados foram produzidos, preparado pelas primeiras estrelas, e como essas primeiras estrelas realmente se formaram?
Duho Kim, um estudante graduado da Escola de Exploração Terrestre e Espacial de Windhorst, trabalhou na modelagem de populações de estrelas e poeira em galáxias.
Os outros colaboradores do artigo são J. Stuart B. Wyithe (Universidade de Melbourne, Austrália), Mehmet Alpaslan (New York University), Stephen K. Andrews (Universidade da Austrália Ocidental), Daniel Coe (Instituto de Ciência do Telescópio Espacial), Jose M. Diego (Instituto de Fisica de Cantabria, Espanha), Mark Dijkstra (Universidade de Oslo), e Simon P. Driver e Patrick L. Kelly (ambos da Universidade da Califórnia, Berkeley).
O papel da equipe, publicado no Suplemento de Jornal Astrofísico , descreve como as observações desafiadoras podem ser feitas.
Lente de aumento da gravidade
A primeira etapa essencial da tarefa depende da sensibilidade infravermelha do telescópio Webb. Embora as primeiras estrelas fossem grandes, luz ultravioleta distante quente e irradiada, eles estão tão distantes que a expansão do universo mudou seu pico de radiação do ultravioleta para comprimentos de onda infravermelhos muito mais longos. Assim, a luz das estrelas incide sobre os detectores infravermelhos do Telescópio Webb como uma bola de beisebol caindo na luva de um defensor.
O segundo passo essencial é usar a gravidade combinada de um aglomerado intermediário de galáxias como uma lente para focalizar e ampliar a luz das estrelas da primeira geração. Lentes gravitacionais típicas podem ampliar a luz de 10 a 20 vezes, mas isso não é suficiente para tornar uma estrela de primeira geração visível para o telescópio Webb. Para Webb, a luz da estrela candidata precisa ser aumentada por um fator de 10, 000 ou mais.
Para obter tanta ampliação, é necessário "trânsitos cáusticos, "alinhamentos especiais em que a luz de uma estrela é grandemente ampliada por algumas semanas enquanto o aglomerado de galáxias vagueia pelo céu entre a Terra e a estrela.
Trânsitos cáusticos ocorrem porque um aglomerado de galáxias agindo como uma lente não produz uma única imagem como uma lupa de leitura. O efeito é mais como olhar através de uma folha de vidro irregular, com zonas nulas e pontos quentes. Uma cáustica é onde a ampliação é maior, e porque as galáxias no aglomerado de lentes se espalham dentro dele, eles produzem cáusticos de ampliação múltiplos que traçam um padrão no espaço como uma teia de aranha.
Jogando as probabilidades
Qual a probabilidade de tal alinhamento? Pequeno, mas não zero, dizem os astrônomos, e eles notam que a teia de aranha de cáusticos ajuda a espalhar uma rede. Além disso, cada cáustica é assimétrica, produzindo um aumento acentuado para ampliação total se uma estrela se aproximar de um lado, mas uma subida muito mais lenta se se aproximar do outro lado.
"Dependendo de qual lado da cáustica ela se aproxima, uma primeira estrela brilhava ao longo de horas - ou vários meses, "Windhorst explicou." Depois de atingir o brilho máximo por várias semanas, iria desaparecer novamente, lenta ou rapidamente, à medida que se afasta da linha cáustica. "
Um atributo-chave das primeiras estrelas é que elas se formaram a partir da mistura de hidrogênio e hélio do universo inicial, sem elementos químicos mais pesados, como o carbono, oxigênio, ferro, ou ouro. Incrivelmente quente e brilhantemente branco-azulado, as primeiras estrelas exibem um espectro simples de livro didático, como uma impressão digital, conforme calculado pela equipe ASU usando o instrumento de software aberto Modules for Experiments in Stellar Astrophysics.
Quando os astrônomos traçam estrelas por temperatura e brilho, as estrelas estão em várias regiões do diagrama; a maioria encontra-se ao longo da Sequência Principal. O sol, no canto inferior direito, tem uma vida útil de cerca de 6,4 bilhões de anos (Gir). A primeira geração de estrelas é extremamente quente e cresce muito antes de explodir como supernovas depois de apenas alguns milhões de anos (Myr). Crédito:Arizona State University / F. Timmes
Outro objeto potencialmente visível pelo mesmo efeito de ampliação é um disco de acreção ao redor dos primeiros buracos negros que se formaram após o Big Bang. Os buracos negros seriam o resultado evolutivo final das primeiras estrelas mais massivas. E se essas estrelas estivessem em um sistema de duas estrelas (binário), a estrela mais massiva, depois de colapsar em um buraco negro, roubaria gás de seu companheiro para formar um disco plano alimentando o buraco negro.
Um disco de acreção exibiria um espectro diferente de uma primeira estrela à medida que transita por um cáustico, produzindo brilho aprimorado em comprimentos de onda mais curtos do calor, parte mais interna do disco em comparação com as zonas externas mais frias dele. O aumento e a diminuição do brilho também demorariam mais, embora esse efeito provavelmente seja mais difícil de detectar.
Espera-se que os discos de acreção sejam mais numerosos porque as primeiras estrelas solitárias, sendo massivo e quente, corrida através de suas vidas em apenas alguns milhões de anos antes de explodir como supernovas. Contudo, a teoria sugere que um disco de acreção em um sistema de buraco negro poderia brilhar pelo menos dez vezes mais do que uma primeira estrela solitária. Todo o resto sendo igual, isso aumentaria as chances de detecção de discos de acreção.
É um trabalho de adivinhação educado nesta fase, mas a equipe calcula que um programa de observação que vise vários aglomerados de galáxias algumas vezes por ano durante a vida útil do telescópio Webb poderia encontrar uma primeira estrela com lente ou um disco de acreção de buraco negro. Os pesquisadores selecionaram alguns grupos-alvo, incluindo os clusters Hubble Frontier Fields e o cluster conhecido como "El Gordo".
"Nós apenas temos que ter sorte e observar esses aglomerados por tempo suficiente, "Windhorst disse." A comunidade astronômica precisaria continuar a monitorar esses aglomerados durante a vida de Webb. "
Este diagrama ilustra como os raios de luz de uma galáxia ou estrela distante podem ser curvados pela gravidade de um aglomerado de galáxias intermediário. Como resultado, um observador na Terra vê o objeto distante parecer mais brilhante do que pareceria se não tivesse lentes gravitacionais. Crédito:NASA, ESA, e A. Feild e F. Summers (STScI)
Além de Webb
O que levanta um ponto. Embora o Telescópio Espacial Webb seja uma maravilha técnica, não terá uma vida operacional longa como o Telescópio Espacial Hubble. Lançado em 1990, o telescópio Hubble está em órbita baixa da Terra e foi reparado por astronautas cinco vezes.
O Telescópio Espacial Webb, Contudo, será colocado em um ponto gravitacionalmente estável no espaço interplanetário, 1,5 milhão de quilômetros (930, 000 milhas) da Terra. Foi projetado para operar por 5 a 10 anos, que pode, com cuidado, estender-se até cerca de 15 anos. Mas não há provisão para manutenção por astronautas.
De acordo, Windhorst observa que a ASU se juntou à Giant Magellan Telescope Organization. Este é um consórcio de universidades e instituições de pesquisa que construirá seu telescópio homônimo no topo de uma montanha alta e seca no Observatório Las Campanas, no Chile. O site é ideal para observação infravermelha.
Após a conclusão em 2026, o GMT terá uma superfície coletora de luz de 24,5 metros (80 pés) de diâmetro, construído a partir de sete espelhos individuais. (O espelho principal do Telescópio Espacial Webb tem 18 seções e um diâmetro total de 6,5 metros, ou 21 pés). Espera-se que os espelhos GMT atinjam um poder de resolução 10 vezes maior do que o do Telescópio Espacial Hubble na região infravermelha do espectro.
Haverá um período durante o qual o Telescópio Webb e o Telescópio Gigante Magalhães estarão em operação.
"Estamos planejando fazer observações de estrelas de primeira geração e outros objetos com os dois instrumentos, "Windhorst disse." Isso nos permitirá fazer uma calibração cruzada dos resultados de ambos. "
A sobreposição entre os dois telescópios é importante de outra maneira, ele disse.
"A vida útil operacional do GMT continuará por muitas décadas no futuro. Isso é diferente do telescópio Webb, que acabará ficando sem combustível de propulsão para manter sua órbita no espaço. "
Quando isso acontecer, o contato com o Telescópio Webb será perdido e sua missão chegará ao fim.
Disse Windhorst, "De uma forma ou de outra, estamos confiantes de que podemos detectar as primeiras estrelas do universo. "
