• Começa com um estrondo

A sóbria verdade sobre encontrar as primeiras estrelas do Universo

O Universo certamente formou estrelas, em um ponto, pela primeira vez. Mas ainda não os encontramos. Aqui está o que todos deveriam saber.

Principais conclusões

• Em um movimento desesperado sem evidências suficientes, uma equipe de astrônomos em dezembro de 2022 afirmou ter descoberto estrelas da 'População III': o primeiro tipo de estrela a se formar no Universo.
• No entanto, a assinatura que eles alegaram ter detectado é insuficiente, por si só, para determinar se eles detectaram estrelas primitivas ou enriquecidas.
• A normalmente responsável revista Quanta, estragando uma reportagem de alto perfil pela segunda vez em dois meses, caiu em muitas reivindicações falsas. Aqui está o que você deve saber se quiser as informações corretas.

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Neste Universo, há muitas coisas que temos certeza de que devem existir, mesmo que ainda não as tenhamos descoberto. Essas lacunas em nossa compreensão incluem as primeiras estrelas e galáxias: objetos que não existiam nos estágios iniciais do Big Bang quente, mas que existem em grande abundância mais tarde. Embora o Telescópio Espacial Hubble e, mais recentemente, o JWST tenham nos trazido de volta muito perto dos objetos mais antigos de todos - com o atual detentor do recorde sendo uma galáxia cuja luz chega até nós apenas 320 milhões de anos após o Big Bang - mas o que estamos encontrando não é totalmente primitivo.

Em vez disso, os objetos antigos mais distantes que vemos ainda estão bastante evoluídos, mostrando evidências de que as estrelas se formaram dentro deles anteriormente, ao invés do que ainda estamos procurando: gás que está formando estrelas pela primeira vez. Assim como muitos “primeiros” na ciência, há muitas equipes por aí fazendo afirmações muito fortes que as evidências não suportam, como a alegação de que acabamos de ver um exemplo dessas estrelas primitivas chamadas de “População III” em uma galáxia distante: evidências das primeiras estrelas do Universo. Apesar de um artigo incomumente cheio de erros da Quanta Magazine elogiando essa possível detecção, a evidência simplesmente não existe para fazer tal afirmação.

Vamos cortar o hype ofegante e expor a verdade sóbria por trás dele.

As primeiras estrelas a se formar no Universo eram diferentes das estrelas de hoje: sem metal, extremamente massivas e destinadas a uma supernova cercada por um casulo de gás. As estrelas requerem uma série de etapas cósmicas antes que possam se formar, e resfriar a matéria neutra e primitiva é uma etapa fundamental e crítica.

Uma breve história do Universo - pelo menos, o Universo de acordo com nossas melhores teorias e observações atuais - pode ser a seguinte:

• ocorre a inflação cósmica, semeando o Universo com flutuações quânticas em todas as escalas,
• a inflação termina, dando origem a um Universo cheio de matéria e radiação em um evento conhecido como Big Bang quente,
• em que as flutuações quânticas (em energia) se transformam em flutuações de densidade em todas as escalas cósmicas,
• e o Universo então se expande, esfria, gravita e experimenta a interação de matéria e radiação,
• dando origem à formação estável de prótons e nêutrons,
• que sofrem fusão nuclear, formando e núcleos de hidrogênio e hélio, além de uma pequena quantidade de lítio,
• que, como parte de um plasma, se atraem gravitacionalmente enquanto a radiação se opõe a essa atração,
• e então o Universo esfria o suficiente para que os átomos neutros se formem de forma estável,
• seguido pela matéria neutra gravitando e atraindo matéria, nas regiões superdensas, das regiões circundantes de densidade média e abaixo da média,
• até que um limiar crítico seja atingido, de modo que a matéria entre em colapso para desencadear a formação de estrelas,
• que vivem, queimam seu combustível e morrem, enriquecendo o ambiente circundante,
• e então agregam mais matéria e até se fundem com outras estrelas, aglomerados de estrelas e regiões densas, construindo as primeiras proto-galáxias e galáxias,
• que então continuam a crescer, evoluir e se fundir dentro do Universo em expansão.

Como você pode suspeitar, temos evidências observacionais, diretas e indiretas, para muitas dessas etapas terem ocorrido, mas também existem muitas lacunas: onde suspeitamos fortemente que essas etapas exatas ocorreram, mas não temos a evidência observacional infalível.

As flutuações da CMB são baseadas nas flutuações primordiais produzidas pela inflação. Em particular, a 'parte plana' em grandes escalas (à esquerda) não tem explicação sem inflação. A linha plana representa as sementes das quais o padrão de pico e vale emergirá nos primeiros 380.000 anos do Universo e é apenas alguns por cento menor no lado direito (pequena escala) do que no lado esquerdo (grande escala). lado. O padrão “ondulado” é o que fica impresso no CMB depois que a matéria e a radiação gravitam e interagem.

No entanto, temos fortes evidências de várias dessas etapas no passado do Universo. Sabemos sobre o espectro de flutuações de densidade com que o Universo nasceu logo após o Big Bang (acima, linha reta) por causa do que observamos quando os átomos neutros se formam pela primeira vez (acima, linha sinuosa) e a física de como as imperfeições de densidade de matéria evoluir em um universo em expansão, ionizado e rico em radiação.

Também sabemos, pela ciência da Nucleossíntese do Big Bang e pela abundância observada dos elementos mais leves (hidrogênio, deutério, hélio-3, hélio-4 e lítio-7), qual era a proporção primitiva desses vários elementos entre si. antes da formação das primeiras estrelas.

E, finalmente, pelas estrelas e galáxias que vemos, tanto próximas quanto a grandes distâncias cósmicas, sabemos que identificamos apenas galáxias onde outros elementos mais pesados ​​que requerem gerações anteriores de estrelas - elementos como oxigênio, carbono e o outros chamados elementos “alfa” que sobem dois de cada vez na tabela periódica do oxigênio (neon, magnésio, silício, enxofre, etc.) - também estão presentes junto com o hidrogênio e o hélio mais puros.

Os elementos mais leves do Universo foram criados nos estágios iniciais do Big Bang quente, onde prótons e nêutrons brutos se fundiram para formar isótopos de hidrogênio, hélio, lítio e berílio. O berílio era todo instável, deixando o Universo apenas com os três primeiros elementos antes da formação das estrelas. As proporções observadas dos elementos nos permitem quantificar o grau de assimetria matéria-antimatéria no Universo, comparando a densidade do bárion com a densidade do número de fótons, e nos leva à conclusão de que apenas ~ 5% da densidade de energia moderna total do Universo é permitido existir na forma de matéria normal, e que a proporção bárion-fóton, exceto para a queima de estrelas, permanece praticamente inalterada em todos os momentos.

Uma das coisas que a matéria da Revista Quanta relatou – parcialmente correto – é que tem surgido uma ideia dentro da comunidade que busca as primeiras estrelas para saber como possivelmente detectá-las: através de uma assinatura de hélio ionizado. Eles incorretamente relatam que esta é uma assinatura de hélio-2, o que não chega nem perto da verdade. Vamos separar o que é verdade do que não é.

Quando os cientistas falam sobre os elementos, geralmente nos referimos a eles pelo nome seguido de um número: hélio-2, hélio-3 e hélio-4, por exemplo. O nome do elemento, hélio neste caso, indica quantos prótons há em seu núcleo atômico: 2, já que o hélio é o segundo elemento da tabela periódica. O número após o nome indica a massa total do núcleo atômico, que é o número de prótons mais o número de nêutrons. Portanto, o hélio-2 tem dois prótons e nenhum nêutron, o hélio-3 tem dois prótons e um nêutron e o hélio-4 tem dois prótons e dois nêutrons.

Hélio-3 e hélio-4 são estáveis; uma vez que você os faz, eles vivem até que participem de uma reação nuclear: o único tipo de reação capaz de destruí-los ou alterá-los. O hélio-2, por outro lado, é conhecido como dipróton e só é produzido na fusão nuclear que ocorre nas estrelas: o primeiro passo da cadeia próton-próton.

Quando dois prótons se encontram no Sol, suas funções de onda se sobrepõem, permitindo a criação temporária de hélio-2: um dipróton. Quase sempre, ele simplesmente se divide em dois prótons, mas em ocasiões muito raras, um dêuteron estável (hidrogênio-2) é produzido, devido ao tunelamento quântico e à interação fraca.

Um diproton, ou um núcleo de hélio-2, tem um tempo de vida médio inferior a 10 ^{-vinte e um} segundos: um piscar de olhos nas escalas cósmica e nuclear. Na maioria das vezes, esse núcleo instável simplesmente se desintegra de volta aos dois prótons que o formaram originalmente; no entanto, um de um número muito grande de diprótons sofrerá um decaimento fraco, com um dos prótons decaindo em um nêutron, um pósitron, um neutrino de elétron e (frequentemente) um fóton também. O fato de um dipróton, ou hélio-2, poder decair em um deutério, ou hidrogênio-2 (com um próton e um nêutron), é o que permite que as reações nucleares ocorram dentro da maioria das estrelas, incluindo o nosso Sol.

Mas não há fonte ou reservatório de hélio-2 que seja estável e/ou detectável; isso não tem nada a ver com o que os astrônomos estão procurando. Em vez disso – e esta é uma distinção de vital importância – os astrônomos estão procurando por hélio ionizado, que às vezes é escrito como He II ou He[II] na literatura. Isso é porque:

• He[I] refere-se ao hélio neutro, ou um núcleo de hélio com dois elétrons ao seu redor (para equilibrar a carga elétrica dos dois prótons no núcleo de hélio), que se aplica a todos os átomos de hélio em temperaturas abaixo de ~12.000 K.
• He[II] refere-se ao hélio uma vez ionizado, ou um átomo de hélio com apenas um elétron ao seu redor, que ocorre para o hélio em temperaturas entre ~12.000 K e ~29.000 K.
• E He[III] reverte para hélio duplamente ionizado, ou um núcleo de hélio nu sem elétrons ao seu redor, que ocorre a uma temperatura de ~ 29.000 K ou mais.

Elementos mais pesados, claro, podem ser ionizados mais vezes com mais energia, mas o hélio só pode ser ionizado duas vezes, no máximo, por causa do número de prótons em seu núcleo.

As primeiras estrelas e galáxias que se formam devem ser o lar de estrelas da População III: estrelas feitas apenas dos elementos que se formaram durante o Big Bang quente, que é 99,999999% de hidrogênio e hélio exclusivamente. Tal população nunca foi vista ou confirmada, mas alguns têm esperança de que o Telescópio Espacial James Webb os revele. Enquanto isso, as galáxias mais distantes que vimos são todas muito brilhantes e intrinsecamente azuis, mas não totalmente imaculadas.

Esperamos plenamente que o Universo tenha formado estrelas a partir do material mais antigo e primitivo disponível para ele, e que apenas uma vez que a primeira geração de estrelas já tenha vivido e morrido, as gerações subsequentes, feitas com os elementos enriquecidos e mais pesados ​​que foram criados naquela primeira geração, passaram a existir.

Há muito que não sabemos sobre essas primeiras estrelas: as estrelas que chamamos de estrelas da População III. (Por quê? Porque estrelas que possuem muitos elementos pesados, como o nosso Sol, foi a primeira população de estrelas descoberta: População I. O segundo tipo de estrela que encontramos, examinando aglomerados globulares, é muito mais pobre em elementos pesados ​​e representa uma população totalmente diferente: População II. Em teoria, deve ter havido estrelas sem nenhum elemento pesado: População III. É isso que estamos procurando!)

Mas o que suspeitamos plenamente é que as estrelas da População III terão uma massa incrivelmente alta, com uma massa média de cerca de 10 vezes (ou 1000%) a massa do Sol. Hoje, para efeito de comparação, a estrela média que nasce tem apenas 40% da massa do Sol; a razão para a diferença é que os elementos pesados ​​- aqueles feitos dentro das estrelas - são o que o gás precisa para irradiar energia, permitindo que esfrie e colapse gravitacionalmente. Sem esses elementos pesados, cabe ao muito ineficiente e relativamente raro hidrogênio (H ₂ ) para irradiar a energia, resultando em nuvens de gás muito grandes e massivas que colapsam para produzir estrelas muito massivas.

Uma ilustração de CR7, a primeira galáxia detectada que se pensava abrigar estrelas da População III: as primeiras estrelas já formadas no Universo. Mais tarde, foi determinado que essas estrelas não são imaculadas, afinal, mas parte de uma população de estrelas pobres em metal. As primeiras estrelas de todas devem ter sido mais pesadas, massivas e de vida mais curta do que as estrelas que vemos hoje, e medindo e compreendendo a luz das estrelas pobres em metal, poderíamos desembaraçar qualquer luz adicional para procurar evidências de uma população estelar verdadeiramente intocada.

É aqui que a física fica interessante. Quanto mais massiva for a sua estrela, mais brilhante e azul ela é, mais quentes são suas temperaturas e, talvez contraintuitivamente, menor é sua vida útil, pois queima seu combustível nuclear muito mais rapidamente do que suas contrapartes de menor massa. Em outras palavras, esperamos que onde quer que formos estrelas da População III, elas devem existir apenas por um tempo muito curto antes que as mais massivas entre elas morram, enriquecendo significativamente o meio interestelar e dando origem a gerações subsequentes de estrelas que contêm elementos pesados. : População II e mesmo, após ter ocorrido enriquecimento suficiente, estrelas da População I.

No entanto, embora as “primeiras” estrelas que surgiram sejam feitas desse material primitivo e nunca antes enriquecido, esses não são os únicos lugares onde as estrelas da População III deveriam existir. Em qualquer local que nunca tenha sido enriquecido por material ejetado de gerações anteriores de estrelas, o material original deve ser o que está localizado lá. Embora ainda não tenhamos detectado evidências de estrelas se formando a partir de tal material primitivo, detectamos o próprio material primitivo. Na verdade, o material primitivo que encontramos não era dos primeiros milhões de anos da história do Universo, mas foi descoberto 2 bilhões de anos após o Big Bang: encontrado em um conjunto relativamente isolado de locais.

As duas primeiras amostras de gás primitivo, detectadas pelas linhas de absorção do quasar, foram encontradas em 2011. Ambas eram de aproximadamente 2 bilhões de anos após o Big Bang e, apesar de exibirem fortes características de hidrogênio neutro (curvas amarelas/vermelhas), o não - a detecção de oxigênio, silício, carbono e outros elementos indica que, pelo menos uma parte em ~ 100.000, esse gás é verdadeiramente puro.

Para detectar uma população dessas estrelas primitivas e primitivas, é necessário um esquema inteligente. Afinal, é fácil se confundir se você procurar as assinaturas erradas, pois isso é algo que os astrônomos já fizeram antes: enganando-se especificamente com uma galáxia conhecida como CR7 . Inicialmente, eles procuravam He[II], ou hélio ionizado, na ausência de quaisquer elementos mais pesados, como oxigênio e carbono. Embora o oxigênio estivesse realmente presente, os autores afirmaram que havia evidências de uma região desta galáxia que não tinha elementos pesados, mas tinha uma forte assinatura de hélio: estrelas da População III ao lado de estrelas mais velhas e mais enriquecidas da População II. Como um estudo de acompanhamento com instrumentação superior mostrou definitivamente, não, não há nenhuma evidência de uma população primitiva de estrelas, em qualquer lugar dentro desta galáxia.

O que nos leva à galáxia em questão neste último estudo: RXJ2129-z8HeII. Com um desvio para o vermelho de 8,16, isso corresponde à luz que foi emitida apenas 620 milhões de anos após o Big Bang. Os autores, de fato, detectam a assinatura do hélio ionizado.

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Infelizmente, eles também detectam oxigênio simples e duplamente ionizado, e em grande abundância. De fato, o meio intragaláctico de gás dentro desta galáxia é particularmente rico nesses elementos pesados. Nesta galáxia em particular, quando o Universo tinha apenas 4,5% de sua idade atual, o gás já é 12% tão enriquecido quanto o nosso Sol e Sistema Solar modernos.

Dados do Hubble, JWST NIRCam e JWST NIRSpec para a galáxia RXJ2129-z8HeII. Há uma inclinação azul incomumente forte no espectro estelar deste objeto, mas a evidência de qualquer material primitivo em meio ao gás altamente enriquecido e às estrelas presentes é muito frágil para ser levada a sério sem dados adicionais e mais fortes.

Novamente, apesar da falta de evidências - tudo o que eles podem apontar é a inclinação levemente sugestiva e severamente azul do espectro estelar observado - esta equipe novamente ressuscita a velha ideia que foi desacreditada na galáxia CR7 anterior: que talvez haja uma população de estrelas imaculadas embutidas e aparecendo ao lado das estrelas mais evoluídas da População II que certamente estão presentes.

Este é um momento de aprendizado, porque é exatamente como “lobo chorando” sem realmente ver um lobo se parece em um campo científico como a astronomia.

Encontrar hélio ionizado, e todos deveriam saber disso, apenas indica que você tem hélio presente em seu gás que foi aquecido a temperaturas de cerca de 12.000 K. Para produzir oxigênio duplamente ionizado, você precisa de temperaturas superiores a uma figura que é mais como ~ 50.000 K. O fato de vermos ambos, em grande abundância, é um indício muito forte de que temos:

• muitas novas estrelas massivas,
• uma galáxia muito brilhante, talvez até cheia de estrelas,
• e a presença significativa de hélio e oxigênio dentro da galáxia.

Não há evidência confiável de que qualquer uma das estrelas seja feita de material primitivo; é pura conjectura. E isso é extremamente insuficiente para reivindicar uma descoberta; você precisa de evidências robustas, não apenas evidências duvidosas combinadas com uma imaginação saudável, mas acrítica.

O espectro da galáxia RXJ2129-z8HeII, mostrando a assinatura de hélio ionizado, algumas linhas de hidrogênio e a linha muito forte de oxigênio duplamente ionizado em 500,8 nanômetros. Este é um ambiente extremamente rico em metais para tão cedo no Universo; qualquer indício de estrelas da População III é extremamente especulativo.

Infelizmente, isso é típico de muitos grupos de pesquisadores envolvidos na corrida para encontrar algo “novo” pela primeira vez: você pode contar com muitos deles buscando a glória antes da chegada de evidências convincentes e convincentes. É grosseiramente inaceitável, no entanto, que qualquer jornalista responsável que trabalhe com uma publicação científica alardeada publique uma peça tão cheia de erros sob o título de “Astrônomos dizem ter descoberto as primeiras estrelas do Universo”. Não existem evidências para isso e, no mundo da ciência, não nos importamos com o que alguém - não importa quão famoso ou prestigioso - diga; nós nos preocupamos com o que é e o que não é verdade.

O fato de ser da revista Quanta segunda falha crítica de alto perfil (com o outro em o tópico de buracos de minhoca e computadores quânticos ) em um período de dois meses deve fazer soar o alarme no mundo da reportagem científica. No momento em que paramos de relatar o que é verdade e, em vez disso, relatamos o que qualquer cientista que grita por sua própria vanglória afirma, esse é o momento exato em que deixamos todos os nossos escrúpulos jornalísticos para trás.

A verdade sóbria é que as primeiras estrelas imaculadas da População III no Universo certamente estão por aí, e não há evidências convincentes de que ainda as encontramos. Até que tenhamos algo que seja inequívoco e robusto – como o hélio ionizado na total ausência de qualquer forma de oxigênio – todos devemos permanecer apropriadamente céticos em relação a essa e a tais afirmações. Acertar os fatos sobre o nosso próprio Universo depende disso.

Note o História da Revista Quanta referenciado neste artigo foi atualizado de sua versão original para corrigir o erro de hélio-2.

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