Astrônomos liderados por Eduardo Bañados, do Instituto Max Planck de Astronomia, descobriram uma nuvem de gás que contém informações sobre uma fase inicial da galáxia e a formação de estrelas, apenas 850 milhões de anos após o Big Bang. A nuvem foi encontrada acidentalmente durante as observações de um quasar distante, e tem as propriedades que os astrônomos esperam dos precursores das galáxias anãs dos dias modernos. Quando se trata de abundâncias relativas, a química da nuvem é surpreendentemente moderna, mostrando que as primeiras estrelas do universo devem ter se formado muito rapidamente após o Big Bang. Os resultados foram publicados no Astrophysical Journal .

Quando os astrônomos olham para objetos distantes, eles necessariamente olham para trás no tempo. A nuvem de gás descoberta por Bañados et al. está tão distante que sua luz levou quase 13 bilhões de anos para chegar até nós; por outro lado, a luz que nos atinge agora nos diz como era a nuvem de gás há quase 13 bilhões de anos, não mais do que cerca de 850 milhões de anos após o Big Bang. Para astrônomos, esta é uma época extremamente interessante. Nas primeiras centenas de milhões de anos após o Big Bang, as primeiras estrelas e galáxias se formaram, mas os detalhes dessa evolução complexa ainda são amplamente desconhecidos.

Esta nuvem de gás muito distante foi uma descoberta fortuita. Bañados, em seguida, na Carnegie Institution for Science, e seus colegas estavam acompanhando vários quasares de uma pesquisa de 15 dos quasares mais distantes conhecidos (z³6.5), que foi preparado por Chiara Mazzucchelli como parte de seu doutorado. pesquisa no Instituto Max Planck de Astronomia. Inicialmente, os pesquisadores apenas notaram que o quasar P183 + 05 tinha um espectro bastante incomum. Mas quando Bañados analisou um espectro mais detalhado, obtido com os Telescópios Magalhães no Observatório Las Campanas, no Chile, ele reconheceu que havia algo mais acontecendo:as estranhas características espectrais eram os traços de uma nuvem de gás que estava muito perto do quasar distante - uma das nuvens de gás mais distantes que os astrônomos já foram capazes de identificar.

Iluminado por um quasar distante

Quasares são núcleos ativos extremamente brilhantes de galáxias distantes. A força motriz por trás de sua luminosidade é o buraco negro supermassivo central da galáxia. A matéria girando em torno desse buraco negro (antes de cair) aquece até temperaturas que chegam a centenas de milhares de graus, emitindo enormes quantidades de radiação. Isso permite que os astrônomos usem quasares como fontes de fundo para detectar hidrogênio e outros elementos químicos em absorção:Se uma nuvem de gás estiver diretamente entre o observador e um quasar distante, parte da luz do quasar será absorvida.

Os astrônomos podem detectar essa absorção estudando o espectro do quasar, isso é, a decomposição semelhante a um arco-íris da luz do quasar em diferentes regiões de comprimento de onda. O padrão de absorção contém informações sobre a composição química da nuvem de gás, temperatura, densidade e até mesmo sobre a distância da nuvem de nós (e do quasar). Por trás disso está o fato de que cada elemento químico tem uma "impressão digital" de linhas espectrais - região de comprimentos de onda estreitos na qual os átomos desse elemento podem emitir ou absorver luz de maneira particularmente boa. A presença de uma impressão digital característica revela a presença e abundância de um elemento químico específico.

Não é bem a nuvem que procuravam

Do espectro da nuvem de gás, os pesquisadores puderam dizer imediatamente a distância da nuvem, e que eles estavam olhando para o primeiro bilhão de anos da história cósmica. Eles também encontraram vestígios de vários elementos químicos, incluindo carbono, oxigênio, ferro, e magnésio. Contudo, a quantidade desses elementos era minúscula, cerca de 1/800 vezes a abundância na atmosfera do nosso sol. Os astrônomos chamam sumariamente todos os elementos mais pesados ​​do que o hélio de "metais"; esta medição torna a nuvem de gás um dos sistemas mais pobres em metais (e distantes) conhecidos no universo. Michael Rauch da Carnegie Institution of Science, quem é co-autor do novo estudo, diz:"Depois de estarmos convencidos de que estávamos olhando para esse gás puro apenas 850 milhões de anos após o Big Bang, começamos a nos perguntar se esse sistema ainda poderia reter assinaturas químicas produzidas pela primeira geração de estrelas."

Encontrando essa primeira geração, as chamadas estrelas da "população III" são um dos objetivos mais importantes na reconstrução da história do universo. No universo posterior, elementos químicos mais pesados ​​que o hidrogênio desempenham um papel importante em permitir que nuvens de gás entrem em colapso para formar estrelas. Mas esses elementos químicos, notavelmente carbono, são produzidos nas estrelas, e lançado ao espaço em explosões de supernova. Para as primeiras estrelas, esses facilitadores químicos simplesmente não estariam lá, desde logo após a fase do Big Bang, havia apenas átomos de hidrogênio e hélio. Isso é o que torna as primeiras estrelas fundamentalmente diferentes de todas as estrelas posteriores.

A análise mostrou que a composição química da nuvem não era quimicamente primitiva, mas, em vez disso, as abundâncias relativas eram surpreendentemente semelhantes às abundâncias químicas observadas nas nuvens de gás intergalácticas de hoje. As proporções das abundâncias dos elementos mais pesados ​​eram muito próximas das proporções do universo moderno. O fato de que essa nuvem de gás no início do universo já contém metais com abundâncias químicas relativas modernas apresenta desafios importantes para a formação da primeira geração de estrelas.

Tantas estrelas, tão pouco tempo

Este estudo implica que a formação das primeiras estrelas neste sistema deve ter começado muito antes:os rendimentos químicos esperados das primeiras estrelas já haviam sido apagados pelas explosões de pelo menos mais uma geração de estrelas. Uma restrição de tempo particular vem de supernovas do tipo Ia, explosões cósmicas que seriam necessárias para produzir metais com as abundâncias relativas observadas. Essas supernovas normalmente precisam de cerca de 1 bilhão de anos para acontecer, o que coloca uma séria restrição em qualquer cenário de como as primeiras estrelas se formaram.

Agora que os astrônomos encontraram esta nuvem muito antiga, eles estão sistematicamente procurando exemplos adicionais. Eduardo Bañados diz:“É empolgante podermos medir a metalicidade e as abundâncias químicas tão cedo na história do universo, mas se quisermos identificar as assinaturas das primeiras estrelas, precisamos sondar ainda mais cedo na história cósmica. Estou otimista de que encontraremos nuvens de gás ainda mais distantes, o que pode nos ajudar a entender como as primeiras estrelas nasceram. "

Os resultados aqui descritos foram publicados em Bañados et al., "Um sistema Lyα amortecido pobre em metal no redshift 6.4, " no Astrophysical Journal .