O maior quebra-cabeça cósmico: astrônomos encontram estrelas que parecem mais velhas que o universo
Na galáxia de Andrômeda, as estrelas individuais mais antigas são encontradas no halo da galáxia. No entanto, aglomerados globulares e estrelas de campo aleatório podem conter as estrelas mais antigas de todo o Universo. Crédito de imagem: NASA, ESA e T.M. Brown (STScI).
Alguma coisa deve estar errada. Mas é o que pensamos sobre a estrela, o Universo ou outra coisa?
Quanto mais velho você fica, mais você percebe que a sua aparência é um reflexo de como você se trata. – Hope Davis
Se você entender como as estrelas funcionam, poderá observar as propriedades físicas de uma delas e extrapolar sua idade e saber quando ela deveria ter nascido. As estrelas sofrem muitas mudanças à medida que envelhecem: seu raio, luminosidade e temperatura evoluem à medida que queimam seu combustível. Mas a vida útil de uma estrela, em geral, depende apenas de duas propriedades com as quais ela nasce: sua massa e sua metalicidade, que é a quantidade de elementos mais pesados que o hidrogênio e o hélio presentes em seu interior. As estrelas mais antigas que encontramos no Universo são quase intocadas, onde quase 100% do que as compõe é o hidrogênio e o hélio que sobraram do Big Bang. Eles vêm com mais de 13 bilhões de anos, com o mais antigo com 14,5 bilhões. E isso é um grande problema, porque o próprio Universo tem apenas 13,8 bilhões de anos.
O núcleo do aglomerado globular Omega Centauri é uma das regiões mais populosas de estrelas antigas. Enquanto as estrelas aqui têm mais de 12 bilhões de anos, algumas estrelas são datadas com mais de 14 bilhões de anos, o que é um problema porque o próprio Universo tem apenas 13,8 bilhões de anos. Crédito da imagem: NASA/ESA e The Hubble Heritage Team (STScI/AURA).
Você não pode muito bem ter uma estrela que seja mais velha que o próprio Universo; isso implicaria que a estrela existia antes do Big Bang acontecer! No entanto, o Big Bang foi a origem do Universo como o conhecemos, onde toda a matéria, energia, neutrinos, fótons, antimatéria, matéria escura e até energia escura se originaram. Tudo contido em nosso Universo observável veio desse evento, e tudo o que percebemos hoje pode ser rastreado até essa origem no tempo. Portanto, a explicação mais simples, de que existem estrelas anteriores ao Universo, deve ser descartada.
Olhando para trás, uma variedade de distâncias corresponde a uma variedade de tempos desde o Big Bang. No entanto, se o Big Bang ocorreu há 13,8 bilhões de anos, as estrelas mais antigas não devem ser mais velhas do que esse número. Crédito da imagem: NASA, ESA e A. Feild (STScI).
Também é possível que tenhamos errado a idade do Universo! A maneira como chegamos a esse número é a partir de medições precisas do Universo nas maiores escalas. Olhando para uma série de recursos, incluindo:
- As imperfeições de densidade e temperatura no fundo cósmico de micro-ondas, remanescentes do Big Bang,
- A aglomeração de estrelas e galáxias no presente e voltando bilhões de anos-luz,
- A taxa de expansão do Hubble do tecido do Universo,
- A história da formação de estrelas e evolução galáctica,
e muitas outras fontes, chegamos a uma imagem muito consistente do Universo. É composto de 68% de energia escura, 27% de matéria escura, 4,9% de matéria normal, cerca de 0,1% de neutrinos e 0,01% de radiação, e tem cerca de 13,8 bilhões de anos. A incerteza sobre o número de idade é inferior a 100 milhões de anos, portanto, embora possa ser plausível que o Universo seja um pouco mais velho ou mais jovem, é extraordinariamente improvável chegar a 14,5 bilhões de anos.
A missão Gaia da ESA mediu as posições e propriedades de centenas de milhões de estrelas perto do centro galáctico e está a encontrar evidências de algumas das estrelas mais antigas conhecidas pela humanidade presentes neste ambiente. Crédito da imagem: ESA/Gaia/DPAC.
Então isso deixa apenas uma possibilidade razoável: talvez tenhamos as idades das estrelas erradas. Observamos literalmente centenas de milhões de estrelas em detalhes, ao longo de vários estágios de seu ciclo de vida. Sabemos como as estrelas se formam e em que condições; sabemos quando e como eles provocam a fusão nuclear; sabemos quanto tempo duram os vários estágios de fusão e quão eficientes eles são; conhecemos os tempos de vida e como reconhecer os estertores da morte de estrelas de todos os tipos de massas diferentes. Em suma, a astronomia é uma ciência muito robusta, principalmente quando se trata de estrelas. Em geral, as estrelas mais antigas são identificáveis por serem relativamente baixas em massa (menos massivas que o nosso Sol), com teores de metais muito baixos (elementos além de hidrogênio ou hélio) e devem até ser anteriores à própria galáxia.
Uma seleção do aglomerado globular Terzan 5, uma ligação única ao passado da Via Láctea. Estrelas incrivelmente antigas podem ser encontradas dentro de aglomerados globulares, relíquias de algumas das primeiras “explosões” de formação estelar que ocorreram em nossa vizinhança do Universo. Crédito da imagem: NASA/ESA/Hubble/F. Ferro.
Muitos deles são encontrados em aglomerados globulares, que foram confirmados para conter estrelas com mais de 12 bilhões ou, em raras ocasiões, até 13 bilhões de anos. Uma geração atrás, as pessoas afirmavam que esses aglomerados tinham de 14 a 16 bilhões de anos, criando tensão nos modelos cosmológicos aceitos, mas uma melhor compreensão da evolução estelar trouxe esses números de volta à linha. Também desenvolvemos técnicas mais avançadas à medida que nossas capacidades de observação melhoraram: medindo não apenas o conteúdo de carbono, oxigênio ou ferro dessas estrelas, mas usando as abundâncias de decaimento radioativo de urânio e tório, em conjunto com os elementos criados em as primeiras supernovas do Universo, podemos datar diretamente muitas estrelas individuais.
Localizada a cerca de 4.140 anos-luz de distância no halo galáctico, SDSS J102915+172927 é uma estrela antiga que contém apenas 1/20.000 dos elementos pesados que o Sol possui e deve ter mais de 13 bilhões de anos: uma das mais antigas do Universo , semelhante, mas ainda mais pobre em metal do que HE 1523-0901. Crédito da imagem: ESO, Digitized Sky Survey 2.
Em 2007, conseguimos medir a estrela HE 1523-0901 , que é cerca de 80% da massa do Sol, contém apenas 0,1% do ferro do Sol e tem 13,2 bilhões de anos de idade devido à abundância de elementos radioativos. Em 2015, um conjunto de nove estrelas perto do centro da Via Láctea foi datado de ter se formado há 13,5 bilhões de anos: apenas 300 milhões de anos após o Big Bang e antes da formação inicial da Via Láctea. Essas estrelas se formaram antes da Via Láctea e a galáxia se formou ao redor delas, disse Louise Howes, co-descobridora dessas antigas relíquias. De fato, uma dessas nove estrelas tem menos de 0,001% do ferro do Sol; este será exatamente o tipo de estrela e as classes de população estelar que o Telescópio Espacial James Webb procurará quando for lançado em outubro de 2018.
Esta é uma imagem Digitized Sky Survey da estrela mais antiga com uma idade bem determinada em nossa galáxia. A estrela envelhecida, catalogada como HD 140283, fica a mais de 190 anos-luz de distância. O Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA foi usado para diminuir a incerteza de medição da distância da estrela, e isso ajudou a refinar o cálculo de uma idade mais precisa de 14,5 bilhões de anos (mais ou menos 800 milhões de anos). Crédito da imagem: Digitized Sky Survey (DSS), STScI/AURA, Palomar/Caltech e UKSTU/AAO.
Mas a estrela mais confusa de todas é HD 140283 , informalmente apelidado de estrela de Matusalém. A apenas 190 anos-luz de distância, podemos medir sua luminosidade, temperatura da superfície e composição com muita precisão; também podemos ver que está apenas começando a evoluir para a fase subgigante e para se tornar uma gigante vermelha. Essas informações, combinadas, nos permitem obter um valor bem restrito para a idade da estrela, e o resultado é no mínimo perturbador: 14,46 bilhões de anos. No entanto, algumas das outras propriedades que exibe, como um teor de ferro de 0,4% do Sol, sugerem que é muito antiga, mas não entre as estrelas mais antigas de todas. Embora haja uma incerteza sobre a idade de cerca de 800 milhões de anos, isso ainda o coloca desconfortavelmente cedo e sugere um conflito potencial entre a idade das estrelas e a idade do Universo.
A Via Láctea, como a conhecemos hoje, não mudou muito em bilhões de anos. Mas à medida que as estrelas envelhecem, as mais massivas terminam suas vidas e as menos massivas começam a evoluir para subgigantes. Que estrelas de massa solar de 0,8 estão começando a evoluir sugere algo problemático sobre a idade do Universo. Crédito da imagem: ESO/S. Guisard.
Agora, é sempre possível que haja algo suspeito que aconteceu no passado da estrela que não podemos saber hoje. É possível que tenha nascido como uma estrela de massa mais alta e algo tenha retirado as camadas externas, reduzindo drasticamente a vida útil da estrela. É possível que a estrela tenha absorvido algum material mais tarde na vida que mudou seu conteúdo de elementos pesados, distorcendo nossas percepções hoje. Ou é possível que tenhamos um mal-entendido na fase subgigante da evolução estelar dessas estrelas antigas e de baixa metalicidade. Essas incógnitas (e, em alguns casos, incognoscíveis) são possíveis fontes de erros quando tentamos calcular as idades das estrelas mais antigas.
Mas se tivermos essas idades corretas, pode haver um problema. Você não pode ter uma estrela que existe em nosso Universo que seja mais velha que o próprio Universo. Ou algo está errado com nossas estimativas para as idades de algumas dessas estrelas, algo está errado com nossas estimativas para a idade do Universo, ou alguma outra coisa, que nem estamos considerando, está errada.
Embora os levantamentos infravermelhos sejam frequentemente usados para visualizar objetos empoeirados, eles também são incrivelmente úteis para destacar as propriedades de estrelas mais antigas e frias. A estrela mais antiga da Via Láctea provavelmente ainda não foi descoberta. Crédito da imagem: NASA, ESA e a equipe Hubble SM4 ERO.
Independentemente de qual seja a resolução, esta é uma situação importante e extremamente valiosa para um cientista. As próprias estrelas deveriam colocar um limite menor na idade do Universo; o próprio Universo deveria ser mais antigo. Que isso não é o que estamos vendo com absoluta certeza cria uma bela tensão que pode vir a ser um presságio de extraordinário avanço científico. Se aprendemos algo novo sobre as estrelas e como elas vivem, evoluem e morrem; se aprendemos algo novo sobre a idade do Universo; ou se há um terceiro fator responsável por esse mal-entendido, há a oportunidade de melhorar nossa compreensão científica do Universo. No final das contas, essa é a maior situação que qualquer curioso pode esperar encontrar. O que parece uma impossibilidade pode se revelar algo ainda mais valioso: uma chance de empurrar nosso conhecimento de como o Universo funciona para fronteiras até então desconhecidas.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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