Cosmos · · 4 min read
Dados do Webb levantam a possibilidade de estrelas escuras no Universo primordial
Três objetos distantes observados pelo Webb podem ser estrelas escuras, oferecendo uma possível explicação para o aparecimento rápido de buracos negros enormes.
Astrónomos que estudam observações do Telescópio Espacial James Webb identificaram três objetos cuja luz pode provir de estrelas escuras, e não de galáxias primitivas comuns, segundo a Sky at Night Magazine. Os espectros disponíveis ainda não são suficientemente claros para decidir entre as duas possibilidades.
Os objetos fazem parte de um grupo de 700 fontes prováveis do Universo primordial identificadas nos dados do Webb de 2022. Apenas nove dessas fontes têm espectros suficientemente precisos para uma identificação pormenorizada. Uma está confirmada como uma galáxia primitiva porque a sua luz contém as assinaturas de vários elementos. Três outras continuam a poder ser estrelas escuras ou galáxias, enquanto as evidências relativas aos objetos restantes não são suficientes para determinar a sua natureza.
A distinção é importante porque as estrelas escuras proporcionariam uma visão diferente de como se formaram as primeiras grandes estruturas. Também poderiam oferecer uma via para explicar por que razão se observam buracos negros de massa extremamente elevada tão cedo na história cósmica.
Um tipo diferente de primeira estrela
As estrelas escuras são candidatas teóricas às primeiras estrelas, surgindo aproximadamente 200 milhões de anos após o Big Bang. Tal como as primeiras estrelas comuns, começariam com o hidrogénio e o hélio produzidos no Big Bang. No entanto, a sua fonte de energia não seria inicialmente a fusão nuclear.
Espera-se que estas estrelas se formem nos centros de proto-galáxias jovens, regiões que contêm quantidades particularmente grandes de matéria escura. À medida que o gás hidrogénio começasse a colapsar, as partículas de matéria escura poderiam aniquilar-se umas às outras. Os fotões e outras partículas resultantes ficariam presos no gás, transferindo a energia da matéria escura para o objeto em formação.
Essa energia poderia interromper o colapso e criar um corpo semelhante a uma estrela. O nome estrela escura refere-se à sua fonte de energia, não à sua aparência: os objetos poderiam ser extraordinariamente brilhantes. Os seus interiores seriam relativamente frios, com temperaturas semelhantes às da superfície do Sol, mas o seu enorme tamanho permitiria que brilhassem intensamente.
Sem a radiação de alta energia produzida por uma superfície mais quente, o objeto poderia continuar a acumular material. As estrelas escuras teóricas poderiam eventualmente atingir cerca de um milhão de vezes a massa do Sol e brilhar com aproximadamente mil milhões de vezes a luminosidade do Sol. A essa escala, uma única estrela escura poderia parecer tão brilhante como uma galáxia jovem constituída por numerosas estrelas convencionais.
As suas vidas dependeriam do acesso à matéria escura. Uma estrela escura poderia permanecer ativa durante milhões ou até milhares de milhões de anos enquanto fosse abastecida com combustível. Se saísse de um ambiente denso de matéria escura, a sua fonte de energia enfraqueceria e a estrela começaria a contrair-se e a aquecer.
O desafio do Webb: estrela ou galáxia?
Os investigadores estão a utilizar as diferenças entre a luz estelar e a luz galáctica para testar a ideia. Uma galáxia jovem deveria conter muitas estrelas e, por isso, apresentar no seu espectro evidências de uma variedade de elementos químicos. Uma estrela escura, pelo contrário, deveria ser constituída apenas por hidrogénio e hélio.
Na resolução atualmente disponível, qualquer um dos tipos de fonte poderia parecer um único ponto de luz. Em princípio, uma galáxia poderia revelar mais informação através do seu tamanho ou forma aparentes, mas as enormes distâncias envolvidas tornam isso difícil. A espectroscopia proporciona, por isso, o teste mais importante, e as medições existentes ainda não são suficientemente robustas para três dos alvos do Webb.
A Sky at Night Magazine discutiu a investigação com Katherine Freese, diretora do Weinberg Institute for Theoretical Physics e titular de uma cátedra de física na University of Texas, Austin. Freese é especialista em cosmologia teórica e física de astropartículas e tem trabalhado na explicação baseada em estrelas escuras.
Possíveis sementes para buracos negros gigantes
As estrelas escuras também podem ligar a primeira geração estelar aos buracos negros massivos observados no Universo jovem. Quando um ambiente rico em matéria escura deixa de sustentar uma estrela escura muito grande, o seu colapso poderia terminar de forma diferente, dependendo da sua massa. Um objeto menor poderia desenvolver um núcleo quente alimentado por fusão. Uma estrela escura próxima de um milhão de massas solares poderia, em vez disso, colapsar num buraco negro.
Os astrónomos encontraram buracos negros com massas de cerca de mil milhões de sóis numa fase inesperadamente inicial da história cósmica. Se numerosas estrelas escuras produzissem sementes de buracos negros com cerca de um milhão de massas solares, essas sementes poderiam fundir-se e potencialmente formar os buracos negros supermassivos observados em fases posteriores.
A próxima oportunidade para testar a interpretação baseada em estrelas escuras poderá surgir através de objetos ampliados por lentes gravitacionais. Quando um corpo massivo se encontra entre a Terra e uma fonte distante, a sua gravidade curva a luz da fonte e pode ampliá-la. Observações melhores desses objetos do Universo primordial naturalmente amplificados poderiam fornecer espectros mais nítidos e facilitar a determinação sobre se os candidatos são estrelas invulgares ou galáxias jovens.