Nota de Imprensa

A melhor evidência observacional até à data da primeira geração de estrelas no Universo

O VLT descobre CR7, a galáxia distante mais brilhante, e indícios de estrelas de população III

17 de Junho de 2015

Com o auxílio do Very Large Telescope do ESO os astrónomos descobriram a galáxia mais brilhante observada até hoje no Universo primordial e encontraram evidências fortes de que este objeto contém estrelas da primeira geração. Estas estrelas massivas e brilhantes, puramente teóricas até agora, foram as criadoras dos primeiros elementos pesados na história — os elementos necessários à formação das estrelas que nos rodeiam atualmente, os planetas que as orbitam e a vida tal como a conhecemos. A galáxia recentemente descoberta chamada CR7 é três vezes mais brilhante do que a galáxia distante mais brilhante que era conhecida até agora.

Os astrónomos desenvolveram há muito a teoria da existência de uma primeira geração de estrelas - conhecidas por estrelas de População III — que teriam nascido do material primordial do Big Bang [1]. Todos os elementos químicos mais pesados — como o oxigénio, azoto, carbono e ferro, que são essenciais à vida — formaram-se no interior das estrelas, o que significa que as primeiras estrelas se devem ter formado dos únicos elementos que existiam antes delas: hidrogénio, hélio e traços mínimos de lítio.

Estas estrelas de População III seriam enormes — várias centenas ou mesmo milhares de vezes mais massivas do que o Sol — extremamente quentes e transientes — e explodiriam sob a forma de supernovas após cerca de apenas dois milhões de anos. No entanto, e até agora, a busca de provas físicas da sua existência tinha-se revelado infrutífera [2].

Uma equipa liderada por David Sobral, do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa, e do Observatório de Leiden, Holanda, utilizou o Very Large Telescope do ESO (VLT) para observar o Universo primordial, no período conhecido por época da reionização, que ocorreu cerca de 800 milhões de anos após o Big Bang. Em vez de fazer um estudo profundo e direccionado a uma pequena área do céu, a equipa alargou o seu foco de estudo produzindo o maior rastreio de galáxias muito distantes alguma vez obtido.

Este extenso estudo fez uso não apenas do VLT, mas também do Observatório W. M. Keck, do Telescópio Subaru e do Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA. A equipa descobriu — e confirmou — um número surpreendente de galáxias brilhantes muito jovens. Uma delas, chamada CR7 [3], trata-se de um objeto excepcionalmente raro, de longe a galáxia mais brilhante alguma vez observada nesta época do Universo [4]. Com a descoberta da CR7 e outras galáxias brilhantes, o estudo era já um sucesso, no entanto investigação posterior produziu mais resultados ainda melhores.

Com o auxílio dos instrumentos X-shooter e SINFONI montados no VLT, a equipa encontrou forte emissão de hélio ionizado na CR7 mas — crucial e surpreendentemente — nenhum traço de elementos mais pesados no seio da galáxia brilhante, o que constitui uma forte evidência da existência de enxames de estrelas de População III com gás ionizado, no seio de uma galáxia do Universo primordial [5].

“A descoberta superou, desde o início, todas as nossas expectativas,” disse David Sobral, “uma vez que não esperávamos encontrar uma galáxia tão brilhante. Seguidamente ao desvendarmos pouco a pouco a natureza da CR7, percebemos que não só tínhamos descoberto a galáxia distante mais brilhante conhecida até agora, como também que este objeto tinha todas as características que se esperam de estrelas de População III. Estas estrelas são as que formaram os primeiros átomos pesados que, em última análise, são os que nos permitem aqui estar. Este estudo revelou-se extremamente interessante.”

No seio da CR7 encontraram-se tanto enxames de estrelas mais azuis como também alguns mais vermelhos, o que indica que a formação das estrelas de População III ocorreu de forma faseada — como se previa. O que a equipa observou de modo direto foi o último período de estrelas de População III formadas, sugerindo que tais estrelas devem ser mais fáceis de detectar do que o que se pensava anteriormente: estas estrelas encontram-se no meio de estrelas regulares, em galáxias mais brilhantes, e não apenas nas galáxias mais ténues, pequenas e precoces, as quais são tão ténues que se tornam extremamente difíceis de estudar.

Jorry Matthee, segundo autor do artigo científico que descreve estes resultados, conclui: “Sempre me perguntei de onde é que nós vimos. Mesmo quando era pequeno queria saber donde vinham os elementos químicos: o cálcio dos meus ossos, o carbono dos meus músculos, o ferro do meu sangue. Descobri que estes elementos foram formados inicialmente no início do Universo, pela primeira geração de estrelas. Com esta descoberta estamos a ver, de facto, tais objetos pela primeira vez.”

Estão planeadas mais observações com o VLT, o ALMA e o Telescópio Espacial Hubble de modo a confirmar sem sombra de dúvidas que o que se observou são estrelas de População III e procurar e identificar outros exemplos.

Notas

[1] O nome População III vem do facto dos astrónomos já terem classificado anteriormente as estrelas da Via Láctea como sendo de População I (estrelas como o Sol, ricas em elementos pesados e que formam o disco da galáxia) e de População II (estrelas mais velhas, com baixo conteúdo de elementos pesados e encontradas no bojo e no halo da Via Láctea e em enxames globulares).

[2] Encontrar estas estrelas é muito difícil: estes objetos teriam uma vida muito curta e teriam brilhado numa altura em que o Universo era essencialmente opaco à sua luz. Descobertas anteriores incluem Nagao et al., 2008, onde não foi detectado hélio ionizado; De Breuck et al., 2000, onde se detectou hélio ionizado ao mesmo tempo que carbono e oxigénio, assim como uma assinatura clara de um núcleo ativo de galáxia; e Cassata et al., 2013, onde foi detectado hélio ionizado, mas com uma largura equivalente muito pequena (ou fraca intensidade), ao mesmo tempo que carbono e oxigénio.

[3] O nome CR7 é uma abreviação do COSMOS Redshift 7, uma medida do lugar ocupado em termos de tempo cósmico. Quanto maior o desvio para o vermelho (redshift), mais distante estará a galáxia e mais para trás no tempo da história do Universo se encontra também. A A1689-zD1, uma das galáxias mais velhas alguma vez observada, por exemplo, tem um desvio para o vermelho de 7,5.

O nome foi inspirado no jogador de futebol português, Cristiano Ronaldo, que é conhecido por CR7.

[4] A CR7 é três vezes mais brilhante que a anterior detentora deste título, Himiko, que se pensava ser uma galáxia única nesta época tão primordial do Universo. Galáxias poeirentas, em épocas mais tardias, podem irradiar muito mais energia do que a CR7 sob a forma de radiação infravermelha emitida pela poeira quente. A energia emitida pela CR7 é essencialmente radiação ultravioleta/visível.

[5] A equipa considerou duas teorias alternativas: que a fonte de luz era ou um AGN ou estrelas Wolf-Rayet. A falta de elementos pesados e outras evidências, no entanto, vão contra estas duas teorias. A equipa considerou também que a fonte poderia ser um buraco negro em colapso direto, um tipo de objeto que é ele próprio excepcionalmente exótico e puramente teórico. A ausência de uma risca de emissão larga e o facto da luminosidade do hidrogénio e do hélio serem muito maiores do que o previsto para tais buracos negros indicam que este hipótese é, também ela, altamente improvável. A ausência de emissão de raios X negaria também esta possibilidade, no entanto são necessárias mais observações.

Informações adicionais

Este trabalho foi descrito num artigo científico intitulado “Evidence for PopIII-like stellar populations in the most luminous Lyman-α emitters at the epoch of re-ionisation: spectroscopic confirmation”, by D. Sobral, et al., que foi aceite para publicação na revista da especialidade The Astrophysical Journal.

A equipa é composta por David Sobral (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal; Departamento de Física, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal; Observatório de Leiden, Universidade de Leiden, Leiden, Holanda), Jorryt Matthee (Observatório de Leiden), Behnam Darvish (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, EUA), Daniel Schaerer (Observatoire de Genève, Département d’Astronomie, Université de Genève, Versoix, Suíça; Centre National de la Recherche Scientifique, IRAP, Toulouse, França), Bahram Mobasher (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, EUA), Huub J. A. Röttgering (Observatório de Leiden), Sérgio Santos (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa; Departamento de Física, Universidade de Lisboa, Portugal) e Shoubaneh Hemmati (Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, California, EUA).

O ESO é a mais importante organização europeia intergovernamental para a investigação em astronomia e é de longe o observatório astronómico mais produtivo do mundo. O ESO é  financiado por 16 países: Alemanha, Áustria, Bélgica, Brasil, Dinamarca, Espanha, Finlândia, França, Holanda, Itália, Polónia, Portugal, Reino Unido, República Checa, Suécia e Suíça, assim como pelo Chile, o país de acolhimento. O ESO destaca-se por levar a cabo um programa de trabalhos ambicioso, focado na concepção, construção e operação de observatórios astronómicos terrestres de ponta, que possibilitam aos astrónomos importantes descobertas científicas. O ESO também tem um papel importante na promoção e organização de cooperação na investigação astronómica. O ESO mantém em funcionamento três observatórios de ponta no Chile: La Silla, Paranal e Chajnantor. No Paranal, o ESO opera  o Very Large Telescope, o observatório astronómico óptico mais avançado do mundo e dois telescópios de rastreio. O VISTA, o maior telescópio de rastreio do mundo que trabalha no infravermelho e o VLT Survey Telescope, o maior telescópio concebido exclusivamente para mapear os céus no visível. O ESO é um parceiro principal no ALMA, o maior projeto astronómico que existe atualmente. E no Cerro Armazones, próximo do Paranal, o ESO está a construir o European Extremely Large Telescope (E-ELT) de 39 metros, que será “o maior olho do mundo virado para o céu”.

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Este texto é a tradução da Nota de Imprensa do ESO eso1524, cortesia do ESON, uma rede de pessoas nos Países Membros do ESO, que servem como pontos de contacto local com os meios de comunicação social, em ligação com os desenvolvimentos do ESO. A representante do nodo português é Margarida Serote.