Durante muito tempo, a nossa compreensão das primeiras galáxias do Universo baseou-se fortemente na teoria. A luz daquela época só nos alcançou depois de viajar durante milhares de milhões de anos e, no caminho, foi obscurecida e esticada até ao infravermelho. Pistas sobre as primeiras galáxias estão escondidas nessa luz confusa. Agora que temos o Telescópio Espacial James Webb e as suas poderosas capacidades infravermelhas, vimos mais longe no passado – e com mais clareza – do que nunca.



O JWST obteve imagens de algumas das primeiras galáxias, levando a uma enxurrada de novos insights e questões desafiadoras. Mas não pode ver estrelas individuais.

Como podem os astrónomos detectar o seu impacto nas primeiras galáxias do Universo?

As estrelas são objetos poderosos e dinâmicos que exercem uma força potente. Eles podem fundir átomos em elementos inteiramente novos, um ato chamado nucleossíntese. As supernovas são especialmente eficazes neste aspecto, pois as suas poderosas explosões desencadeiam um turbilhão de energia e matéria e espalham-no de volta pelo universo.

As supernovas existem desde os primórdios do universo. As primeiras estrelas do universo são chamadas de estrelas de População III e eram estrelas extremamente massivas. Estrelas massivas são aquelas que explodem como supernovas, portanto deve ter havido um número excessivamente elevado de supernovas entre as estrelas da População III.

Uma nova investigação examina como todas estas supernovas devem ter afetado as suas galáxias hospedeiras. O artigo "Como as supernovas da população III determinaram as propriedades das primeiras galáxias" foi aceito para publicação pelo The Astrophysical Journal e é postado em arXiv . O autor principal é Ke-Jung Chen do Instituto de Astronomia e Astrofísica da Academia Sinica, Taiwan.

A metalicidade estelar está no centro deste trabalho. Quando o universo começou, ele era composto de hidrogênio primordial, hélio e apenas vestígios de lítio e berílio. Se você verificar sua tabela periódica, estes são os primeiros quatro elementos. Elementos mais pesados ​​que o hidrogênio e o hélio são chamados de "metais" na astronomia, e a metalicidade no universo aumenta com o tempo devido à nucleossíntese estelar.

Mas o hidrogénio dominava o universo naquela altura, tal como o faz agora. Somente depois que as primeiras estrelas se formaram e explodiram é que outros elementos começaram a desempenhar um papel.

“O nascimento de estrelas primordiais (Pop III) em z ~ 20 ~ 25 marcou o fim da idade das trevas cósmica e o início da formação da primeira galáxia e do buraco negro supermassivo (SMBH)”, escrevem os autores do novo artigo. Mas o seu papel como criadores de metais astronómicos está no centro desta investigação.

Os pesquisadores usaram simulações hidrodinâmicas computacionais para examinar como as estrelas Pop III moldaram as primeiras galáxias. Eles analisaram supernovas de colapso de núcleo (CCSNe), supernovas de instabilidade de pares (PISNe) e hipernovas (HNe).

As estrelas só podem se formar a partir de gás frio e denso. Quando o gás está muito quente, simplesmente não é denso o suficiente para colapsar em núcleos protoestelares. Os investigadores descobriram que quando as estrelas Pop III explodiram como supernovas, produziram metais e espalharam-nos no gás circundante. Os metais resfriaram rapidamente o gás de formação de estrelas, levando à formação mais rápida de mais estrelas. "Nossas descobertas indicam que os SNRs de um FMI Pop III (função de massa inicial) de topo pesado produzem mais metais, levando a um resfriamento de gás mais eficiente e à formação estelar Pop II mais precoce nas primeiras galáxias."

As simulações mostraram que os remanescentes de supernova (SNR) do SN Pop III caem em direção ao centro dos halos de matéria escura em que residem. “Esses SNRs Pop III e o gás primordial são arrastados pela gravidade do halo em direção ao seu centro”, os autores. explicar. Esses SNRs às vezes colidem e produzem fluxos turbulentos. A turbulência mistura o gás e os metais do SN e “cria estruturas filamentares que logo se formam em aglomerados densos devido à autogravidade e ao resfriamento metálico do gás”.

Isso leva a mais formação de estrelas, embora neste ponto ainda sejam estrelas do Pop III. Estas não são enriquecidas pelas supernovas anteriores do Pop III e ainda são feitas de gás primordial. Algumas dessas estrelas posteriores do Pop III se formam antes que as iniciais alcancem o centro do halo. Isso cria uma situação complicada.

A segunda rodada de estrelas Pop III “impõe um forte feedback radiativo e SN antes que os SNRs iniciais do Pop III alcancem o centro do halo”, escrevem os autores.

As estrelas Pop III aquecem o gás circundante com a sua poderosa radiação UV, como mostrado na figura acima, inibindo a formação de estrelas. Mas são estrelas massivas e não vivem muito. Depois de explodirem, eles espalham metais ao seu redor, o que pode resfriar o gás e desencadear mais formação de estrelas. "Após seu curto tempo de vida de cerca de 2,0 milhões de anos, a estrela morre como PI SN, e seu choque aquece o gás a altas temperaturas (> 105 K) e ejeta uma grande massa de metais que aumentam o resfriamento e promovem uma transição para Pop II SF ", explicam os autores.

Foi aqui que as estrelas Pop III moldaram as primeiras galáxias. Ao injetar metais nas nuvens de gás formador de estrelas, eles resfriaram o gás. O arrefecimento fragmentou as nuvens de gás de formação estelar, tornando a geração seguinte de estrelas Pop II menos massiva. "Devido ao resfriamento efetivo do metal, a escala de massa dessas estrelas Pop II mudou para uma extremidade de baixa massa e se formou em um aglomerado, como mostrado no painel direito da Figura 6."

As estrelas Pop III existiam principalmente em halos de matéria escura. No entanto, a investigação mostra como moldaram as estrelas Pop II seguintes, que povoaram as primeiras galáxias. Uma questão que os astrônomos têm enfrentado em relação às primeiras galáxias é se elas estavam cheias de estrelas Pop II extremamente pobres em metais (EMP). Mas esta pesquisa mostra o contrário. “Descobrimos assim que as estrelas EMP não eram típicas da maioria das galáxias primitivas”, concluem os autores.

Mais informações: Ke-Jung Chen et al, Como as supernovas da população III determinaram as propriedades das primeiras galáxias, arXiv (2022). DOI:10.48550/arxiv.2211.06016
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