• Começa com um estrondo

Como foi quando o Universo formou mais estrelas?

Hoje, a taxa de formação de estrelas em todo o Universo é um mero gotejamento: apenas 3% do que era no seu pico. Veja como era naquela época.

Principais conclusões

• Embora o Universo tenha nascido sem quaisquer estrelas, o colapso das nuvens de gás fez com que a taxa de formação de estrelas aumentasse durante a primeira parte da história cósmica.
• Cerca de 3 mil milhões de anos após o início do Big Bang quente, a taxa de formação estelar atingiu o seu pico e tem diminuído desde então.
• Hoje, a taxa de formação de estrelas é apenas 3% do que era no seu máximo e continua a cair. Veja como era o Universo em seu apogeu.

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Se você se atrever a observar a grande variedade de galáxias encontradas em todo o Universo, verá que elas contam um conjunto de histórias muito diferentes umas das outras. A maior e mais massiva variedade de galáxias são as elípticas gigantes, muitas das quais não formaram nenhuma nova estrela na segunda metade de toda a nossa história cósmica. As próximas maiores são as galáxias espirais, como a nossa Via Láctea, com um pequeno número de regiões formando novas estrelas, mas onde a galáxia em geral é bastante silenciosa. E algumas galáxias, especialmente as mais pequenas, são irregulares: passam por períodos rápidos e intensos de formação estelar. Estas incluem, entre elas, as galáxias espirais em interação, repletas de milhões de novas estrelas ao longo dos seus densos braços espirais, bem como galáxias estelares irregulares, onde toda a galáxia se transforma numa região de formação estelar.

Embora todos estes tipos de galáxias sejam comuns hoje em dia, a taxa global de formação de estrelas que vemos, atualmente, é a mais baixa da história cósmica há mais de 13 mil milhões de anos. Desde os estágios iniciais extremos do Universo, nunca formamos estrelas em uma taxa tão baixa. A maioria das estrelas formadas no Universo formou-se apenas nos primeiros milhares de milhões de anos, tendo a taxa de formação estelar despencado desde então. Aqui está a história cósmica por trás da formação cósmica das estrelas e por que nosso apogeu na formação de estrelas está em um passado distante.

As primeiras estrelas a formar-se no Universo eram diferentes das estrelas de hoje: sem metal, extremamente massivas e destinadas a uma supernova rodeada por um casulo de gás. O espaço entre os aglomerados de estrelas estava preenchido com átomos neutros e opacos, e a temperatura de fundo durante esse período não era de 3K, mas quente o suficiente para ferver o nitrogênio líquido. Apenas 100 milhões de anos após o Big Bang, quando as primeiras estrelas se formavam, o Universo era dezenas de milhares de vezes mais denso do que é hoje, mas os aglomerados mais densos ainda eram pequenos e de baixa massa em comparação com as galáxias que se formam e crescem. em momentos posteriores.

No início, não existiam estrelas, apenas as matérias-primas que as formam: as partículas subatómicas que acabarão por se formar em conjunto para formar átomos, nuvens de gás e, eventualmente, estrelas e sistemas estelares. Nos primeiros dias do Universo, a densidade da matéria era muito maior do que é hoje. Há uma razão muito simples para isso: há uma quantidade fixa de material no Universo observável, mas a própria estrutura do espaço está se expandindo ao longo do tempo. Então, seria de se esperar que, quando o Universo era mais jovem, porque a matéria era mais densa, houvesse mais formação de estrelas naquela época, já que mais matéria estaria mais próxima para se aglomerar e formar estrelas.

Mas há outro efeito que funciona contra isso. É preciso lembrar que também, no início, o Universo era mais uniforme do que é hoje. No momento do Big Bang quente, as regiões mais densas de todas eram apenas cerca de 0,01% mais densas do que uma região típica de densidade média, e por isso leva muito tempo para que essas regiões excessivamente densas cresçam e coletem matéria suficiente para formar estrelas. galáxias e estruturas ainda maiores. No início, você tem fatores trabalhando tanto a seu favor quanto contra você: o Universo mais denso facilita a formação de estrelas, mas a natureza pequena das sobredensidades significa que elas requerem tempo para gravitar e entrar em colapso o suficiente.

A imagem no infravermelho próximo da Nebulosa da Tarântula obtida com o JWST tem maior resolução e maior cobertura de comprimento de onda do que qualquer visão anterior. Expande fortemente o que o Hubble nos ensinou, e esta visão de campo amplo da nossa galáxia vizinha, a GNM, ainda mostra apenas 0,003778 graus quadrados no céu. Seriam necessárias 10,9 milhões de imagens desse tamanho para cobrir todo o céu. O aglomerado de superestrelas à direita do centro, R136, é o maior e mais massivo novo aglomerado estelar encontrado em todo o nosso Grupo Local de galáxias.

A maneira como você forma estrelas é bastante simples: junte uma grande quantidade de massa no mesmo local, deixe-a esfriar e entrar em colapso, e você terá uma nova região de formação de estrelas. Freqüentemente, um grande gatilho externo, como forças de maré de uma grande massa próxima ou material rapidamente ejetado de uma supernova ou explosão de raios gama, pode causar esse tipo de colapso e também a formação de novas estrelas.

Ambos os fenómenos são facilmente visíveis apenas no Universo próximo, incluindo a Nebulosa da Tarântula na Grande Nuvem de Magalhães, que é uma nuvem de gás em colapso com supernovas recentes no seu interior que desencadeiam o colapso de diferentes partes da nuvem, e em Messier 82 (o Charuto galáxia), que está sendo transformada em uma região de explosão estelar em toda a galáxia sob a severa influência gravitacional de seu vizinho maior, Messier 81.

No entanto, nenhum destes fenómenos forma o maior número de estrelas. Em vez disso, o maior gatilho de todos para a formação de estrelas ocorre durante o que os astrônomos chamam de grande fusão. Quando duas galáxias de massa comparável colidem e se fundem, uma enorme onda de formação estelar pode envolver toda a galáxia, causando o que chamamos de explosão estelar. Estes são os maiores exemplos de formação estelar no Universo, e alguns deles ocorrem ainda hoje.

Esta imagem aproximada de Messier 82, a Galáxia do Charuto, mostra não apenas estrelas e gás, mas também os ventos galácticos sobreaquecidos e a forma distendida induzida pelas suas interações com o seu vizinho maior e mais massivo: M81. (M81 está localizado fora da tela, no canto superior direito.) Observações de galáxias em vários comprimentos de onda, como Messier 82, podem revelar onde a matéria normal está localizada e em que quantidades, incluindo estrelas, gás, poeira, plasmas, buracos negros e muito mais.

Mas isso não significa de forma alguma que a formação estelar tenha continuado a ocorrer às mesmas taxas, ou mesmo quase às mesmas taxas, ao longo de toda a história do Universo. A maioria das grandes fusões que irão ocorrer já estão bem longe no espelho retrovisor da história do Universo. A expansão do Universo é um fenômeno implacável, assim como a gravitação. O problema é que existe uma competição entre a expansão cósmica e a força atrativa da gravitação e, acredite ou não, a gravitação se perdeu há muito tempo.

Se o Universo fosse feito 100% de matéria, e a taxa de expansão inicial e a densidade da matéria se equilibrassem perfeitamente, viveríamos num Universo que teria sempre grandes fusões no seu futuro. Não haveria limite para o tamanho da estrutura de grande escala que se formou:

• aglomerados de estrelas se fundiriam em protogaláxias,
• protogaláxias se fundiriam em galáxias jovens e pequenas,
• essas galáxias se fundiriam nas grandes espirais que temos hoje,
• espirais se fundiriam para formar elípticas gigantes,
• espirais e elípticas cairiam em grupos,
• aglomerados colidiriam e formariam superaglomerados,
• e os próprios superaglomerados se formariam juntos, levando a megaaglomerados,

e assim por diante. À medida que o tempo passasse, não haveria limite para a escala em que a teia cósmica crescia cada vez mais. Viveríamos num Universo que exibisse o que conhecemos como “auto-similaridade”, onde, como um fractal, à medida que avançamos para escalas de distância cada vez maiores, apenas continuamos a repetir estruturas semelhantes indefinidamente, ao infinito .

Na cosmologia moderna, uma rede em grande escala de matéria escura e matéria normal permeia o Universo. Nas escalas de galáxias individuais e menores, as estruturas formadas pela matéria são altamente não lineares, com densidades que se afastam enormemente da densidade média. Em escalas muito grandes, contudo, a densidade de qualquer região do espaço está muito próxima da densidade média: com cerca de 99,99% de precisão. Em escalas superiores a alguns milhares de milhões de anos-luz, nenhuma estrutura alguma vez se formará, devido à presença e ao domínio tardio da energia escura.

Infelizmente, para todos que são fãs de todas as novas estrelas que ainda podem ser formadas, esse cenário não descreve o nosso Universo. Nosso Universo tem muito menos matéria do que o necessário para que isso ocorra, e a maior parte da matéria que temos não é material de formação de estrelas, mas sim alguma forma de matéria escura. Além disso, a maior parte da energia do Universo não é matéria, mas vem na forma de energia escura, que serve apenas para afastar cada vez mais as estruturas cósmicas livres nas maiores escalas de todas.

Como resultado, não obtemos quaisquer estruturas em grande escala que ultrapassem as escalas dos aglomerados de galáxias. Claro, alguns aglomerados de galáxias se fundirão, mas não existe superaglomerado; essas estruturas aparentes são meros fantasmas, a serem inevitavelmente destruídos à medida que o Universo continua a se expandir. As novas estrelas que o nosso Universo irá formar virão de:

• grandes fusões de estruturas já consolidadas que ainda não se uniram,
• a formação estelar constante e quiescente em curso dentro dos braços espirais, discos de poeira e da entrada de gás molecular,
• e dos reservatórios de material reciclado e rico em gás que são mantidos dentro das galáxias, mesmo quando episódios de formação de estrelas as aquecem e as energizam.

Se pudermos modelar como, quando e quanto estes vários fenómenos físicos contribuem para a formação estelar, poderemos então modelar a história da formação estelar do nosso Universo, desde o início até ao presente e mesmo mais além.

Esta pequena região do rastreio JADES mostra uma mistura de galáxias: algumas relativamente próximas, grandes, altamente evoluídas e massivas; outras que estão a distâncias intermediárias e têm uma mistura de estrelas velhas e jovens, e um grande número de galáxias muito distantes ou mesmo ultradistantes que são fracas, fortemente avermelhadas e potencialmente dos primeiros 5% da nossa galáxia cósmica. história. Nesta pequena região, o poder do JWST e a evolução da escala angular e da taxa de formação estelar do Universo estão em plena exibição. Visões como esta, do Universo, eram incompreensíveis apenas algumas décadas atrás.

Supondo que entendemos o nosso Universo, podemos então perguntar como é a nossa história de formação estelar. O que descobrimos é que as primeiras estrelas deverão formar-se cedo: talvez depois de apenas 50-100 milhões de anos, quando as nuvens moleculares de pequena escala puderem acumular matéria suficiente para colapsar. Quando o Universo tem cerca de 200-250 milhões de anos, os primeiros aglomerados estelares fundiram-se, desencadeando novas e maiores ondas de formação estelar e formando as primeiras galáxias. Quando o Universo tem entre 400 e 500 milhões de anos, as maiores galáxias já atingiram alguns milhares de milhões de massas solares: cerca de 1% da massa da Via Láctea moderna.

Um pouco mais tarde, os primeiros aglomerados de galáxias começam a se formar depois de apenas mais algumas centenas de milhões de anos. À medida que o fazem, grandes galáxias de tamanhos comparáveis ​​começam a influenciar-se umas às outras. É neste ponto que grandes fusões se tornam comuns e a teia cósmica começa a ficar cada vez mais densa. Todas essas características fazem com que a taxa de formação de estrelas cresça cada vez mais com o passar do tempo, a uma taxa cada vez maior. Durante os primeiros 2 a 3 mil milhões de anos do Universo, a taxa de formação estelar só continua a aumentar. Mas então, é como se algo o impedisse de subir ainda mais. Após cerca de 3 mil milhões de anos de idade, a taxa de formação de estrelas permanece constante e, a partir de então, começa a diminuir lentamente.

Esta animação de quatro painéis mostra as galáxias individuais presentes em Abell 2744, o Aglomerado de Pandora, juntamente com os dados de raios X do Chandra (vermelho) e o mapa de lentes construído a partir de dados de lentes gravitacionais (azul). A incompatibilidade entre os raios X e o mapa de lentes, como mostrado numa grande variedade de enxames de galáxias emissores de raios X, é um dos indicadores mais fortes que favorecem a presença de matéria escura.

Embora a taxa de formação estelar permaneça relativamente elevada, permanecendo em cerca de 80% do seu valor máximo até o Universo ter cerca de 5 a 6 mil milhões de anos de idade, o declínio desde o seu pico cerca de 3 mil milhões de anos após o Big Bang é perceptível. É o suficiente para nos perguntar qual é o fator dominante em jogo: por que a taxa de formação de estrelas está diminuindo constantemente ao longo do tempo?

Acontece que não se deve apenas a um fator dominante, mas a vários deles, todos trabalhando em conjunto. As estrelas se formam (principalmente) a partir de gás hidrogênio e hélio, que entram em colapso e iniciam a fusão nuclear. Esta fusão aumenta a pressão interna dentro das nuvens moleculares, trabalhando para expulsar grande parte do material potencialmente formador de estrelas. À medida que as galáxias se aglomeram para formar grupos e aglomerados, o potencial gravitacional aumenta, mas o meio intergaláctico também reúne mais material dentro dele.

Isto significa que, à medida que as galáxias atravessam regiões mais densas do espaço (ou seja, à medida que as galáxias caem em aglomerados ricos), grande parte deste material potencialmente formador de estrelas é eliminado, onde acaba no meio intraaglomerado, ou no espaço entre as galáxias, eliminado. fora de suas galáxias hospedeiras, onde teriam formado muitas novas gerações subsequentes de estrelas se tivessem permanecido.

Localizada no enxame de galáxias Norma, a ESO 137-001 atravessa rapidamente o meio intraenxame, onde as interações entre a matéria no espaço entre as galáxias e a própria galáxia em rápido movimento provocam uma redução da pressão atmosférica, conduzindo a uma nova população de correntes de maré e estrelas intergalácticas. Interações sustentadas como esta podem eventualmente remover todo o gás de dentro de uma galáxia, eliminando a sua capacidade de formar novas estrelas. Fenômenos como esse nos permitem concluir que a galáxia, o aglomerado e o gás dentro dela são todos feitos de matéria, e não de antimatéria.

Além disso, cada vez mais o material encontrado nestas galáxias torna-se mais processado com o passar do tempo: enriquecido com elementos cada vez mais pesados. Em um estudo recente realizado por cientistas da UC Riverside , eles descobriram que a formação de estrelas hoje não é a mesma que a formação de estrelas era ontem. Na verdade, quanto mais antiga (e mais moderna) for uma galáxia com formação estelar, maior será o tempo necessário para que passem e completem os seus períodos de formação estelar.

Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!

Usando alguns de seus próprios recém-descobertos Clusters SpARCS (Spitzer Adaptation of the Red-sequence Cluster Survey) , descoberto em uma área que abrange mais de 40 graus quadrados no céu, o novo estudo liderado pelo UCR descobriu que leva mais tempo para uma galáxia parar de formar estrelas à medida que o universo envelhece:

• apenas 1,1 bilhão de anos quando o Universo era jovem (4 bilhões de anos),
• 1,3 mil milhões de anos, quando o Universo estava na meia-idade (6 mil milhões de anos),
• e 5 bilhões de anos no Universo atual (13,8 bilhões de anos).

Por outras palavras, novas estrelas formam-se a um ritmo mais rápido no início e a um ritmo mais lento hoje. Adicione a energia escura, que restringe a formação de estruturas adicionais, e você terá uma receita para um Universo muito silencioso.

A taxa de formação de estrelas no Universo é uma função do desvio para o vermelho, que é em si uma função do tempo cósmico. A taxa global (esquerda) é derivada de observações ultravioleta e infravermelha e é notavelmente consistente ao longo do tempo e do espaço. Observe que a formação estelar, hoje, é apenas uma pequena percentagem do que era no seu pico (entre 3-5%), e que a maioria das estrelas foi formada nos primeiros ~5 mil milhões de anos da nossa história cósmica. Apenas cerca de 15% de todas as estrelas, no máximo, se formaram nos últimos 4,6 bilhões de anos.

Quando juntamos tudo, chegamos a uma resposta quantitativa fascinante para a história da formação estelar do nosso Universo. Podemos afirmar que, no geral, um total de 2,21 sextilhão (ou 2,21 × 10 ^{vinte e um} ) estrelas se formaram ao longo da história do nosso Universo, pelo menos, dentro da parte atualmente observável para nós. E, claro, esse número é válido para hoje: 13,8 mil milhões de anos após o Big Bang. Mas aquelas estrelas não se formou uniformemente ao longo do tempo cósmico . Se você olhasse para o Universo quando ele era mais jovem, descobriria que tínhamos:

• 98% do número atual de estrelas já havia se formado quando tínhamos 12,9 bilhões de anos,
• 75% quando tínhamos 7,3 bilhões de anos,
• 50% quando tínhamos 4,9 bilhões de anos,
• 25% quando tínhamos 3,3 bilhões de anos,
• 10% quando tínhamos 2,2 bilhões de anos,
• 5% em 1,7 bilhão de anos,
• 1% em 1,0 bilhão de anos,
• 0,1% em cerca de 500 milhões de anos,
• e apenas 0,01% em cerca de 200 milhões de anos.

Hoje, a taxa de formação de estrelas é uma sombra do que já foi. De acordo com os estudos mais abrangentes já realizado , a taxa de formação de estrelas diminuiu impressionantes 97% desde que atingiu seu máximo, há 10 a 11 bilhões de anos.

Esta região profunda do campo GOODS-Sul contém 18 galáxias formando estrelas tão rapidamente que o número de estrelas no seu interior duplicará em apenas 10 milhões de anos: apenas 0,1% do tempo de vida do Universo. As imagens mais profundas do Universo, reveladas pelo Hubble, levam-nos de volta à história inicial do Universo, onde a formação estelar era muito maior, e a tempos em que a maioria das estrelas do Universo nem sequer se tinha formado.

O que é fascinante sobre a nossa história de formação estelar é que as maiores incertezas sobre ela são encontradas nos primeiros tempos: nos primeiros mil milhões de anos. Mas apenas cerca de 1% de todas as estrelas se formaram naquela primeira época de 1,0 bilhão de anos do nosso passado cósmico, o que significa que a nossa incerteza no número total de estrelas que já se formaram é na verdade muito pequena. O maior número de estrelas formou-se quando o Universo tinha cerca de 1,5 a 8 mil milhões de anos e, embora a taxa de formação estelar tenha diminuído há mais de 10 mil milhões de anos, foi realmente apenas durante os ~5 mil milhões de anos mais recentes que o o declínio acelerou tão severamente. É possível, de facto, que mais de 95% do total de estrelas que alguma vez se formarão já tenham sido criadas.

Enquanto houver gás no Universo e a gravitação ainda existir, haverá oportunidades para formar novas estrelas. Quando você pega uma nuvem de gás e permite que ela entre em colapso, apenas cerca de 10% desse material acaba em estrelas; o restante volta para o meio interestelar, onde terá outra chance em um futuro distante. Embora a taxa de formação de estrelas tenha despencado desde os primórdios do Universo, não se espera que caia para zero até que o Universo tenha milhares de vezes a sua idade actual. Continuaremos a formar novas estrelas durante trilhões e trilhões de anos. Mas mesmo com tudo isso dito, novas estrelas são muito mais raras agora do que em qualquer momento do nosso passado, desde que o Universo estava em sua infância. Com conjuntos cada vez maiores de dados do JWST, ALMA e outros telescópios de longo alcance, as últimas incertezas estão finalmente a ser fixadas na história cósmica das estrelas.

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