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Acabamos de encontrar as primeiras estrelas do Universo?

Crédito da imagem: M. Kornmesser / ESO.

Nós só vimos estrelas de 2ª geração e posteriores. Até, talvez, agora.

De minha parte, nada sei com certeza, mas a visão das estrelas me faz sonhar. – Vincent van Gogh

No entanto, quando você sonha com as estrelas - com todas as estrelas que todos os olhos já viram - estas são poluído estrelas. Por mais puro e imaculado que o Sol brilhante pareça, seu brilho contínuo esconde uma história sombria e catastrófica.

Crédito da imagem: SOHO — Consórcio EIT , ESTA , NASA , através da http://apod.nasa.gov/apod/ap051109.html .

Veja bem, é verdade que nosso Sol funde hidrogênio em hélio em seu núcleo: os dois elementos mais leves do Universo, ambos formados em grande abundância no Big Bang, com hélio também formado em gerações anteriores de estrelas. Mas apenas cerca de 2% dos elementos do Sol são mais pesado que os dois mais leves, compostos por:

• 1% de oxigênio,
• 0,4% de carbono,
• 0,14% de ferro,
• 0,1% de silício,
• 0,1% de nitrogênio,
• 0,08% de magnésio,
• 0,06% néon,
• 0,04% de enxofre,

e muitos outros. Tudo dito, alguns sessenta e cinco elementos adicionais foram detectados no Sol.

Crédito da imagem: N.A. Sharp, NOAO, NSO, Kitt Peak FTS / AURA / NSF.

No entanto… as primeiras estrelas não eram assim! O Sol se formou somente depois que o Universo já estava mais de nove bilhões de anos velho, o que significa que incontáveis ​​gerações de estrelas viveram, queimaram seu combustível, criaram elementos pesados ​​e morreram, reciclando seus remanescentes de volta ao Universo. Esses materiais enriquecidos deram origem a gerações subsequentes de estrelas, completas com elementos pesados, moléculas complexas, mundos com núcleos rochosos, superfícies geladas ou aquosas e – para dizer o mínimo – muito mais.

Crédito da imagem: Observatório Gemini / AURA.

À medida que o tempo passa e mais gerações de estrelas vivem, morrem e renascem desse processo de reciclagem cósmica, a complexidade do que o Universo pode formar dispara.

Mas imediatamente após o Big Bang, o Universo consistia em nada mais do que hidrogênio, hélio e menos de 0,0000001% de nada mais pesado que isso.

Crédito da imagem: Observatório Europeu do Sul (ESO).

À medida que nosso Universo se expande e esfria, não apenas formamos esses núcleos atômicos, mas também átomos neutros, e então os aglomerados de gás mais densos começam a se contrair sob sua própria gravidade. Quando o Universo tem de 50 a 100 milhões de anos, as primeiras estrelas começam a se formar, com esse hidrogênio e hélio imaculado iniciando a fusão nuclear nos núcleos das primeiras estrelas, produzindo hélio e, em pouco tempo, uma muito mais.

Mas essas estrelas não permanecem intocadas por muito tempo! Com o tempo, apenas meio bilhão de anos se passaram, mais de 99% dos átomos neutros que formamos foram reionizados pela luz das estrelas ultravioleta quente que emana desses gigantes, as primeiras galáxias já se formaram, e no lugares mais densos, muitas gerações de estrelas viveram e morreram.

O Universo está bem encaminhado no momento em que nossos telescópios espaciais mais poderosos podem ter um vislumbre de como ele realmente se parece.

Crédito da imagem: Hubble / Wikisky, da Antlia Dwarf Galaxy PGC 29194.

Mas alguns desses lugares no espaço, mesmo centenas de milhões ou talvez um bilhão de anos após o Big Bang, ainda são provavelmente intocados, não afetados pela formação de estrelas. Se você puder encontrar um isolado região do espaço, que nunca foi poluída por essas gerações anteriores de estrelas, você pode encontrar a primeira amostra intocada dos átomos remanescentes do nascimento do Universo. Embora isso possa parecer uma ideia maluca, uma equipe descobriu não apenas uma, mas duas nuvens moleculares como esta em 2011 , encontrando nuvens isoladas com hidrogênio, hélio, deutério e nada mais .

Crédito das imagens: Michele Fumagalli, John M. O'Meara e J. Xavier Prochaska, via http://arxiv.org/abs/1111.2334 .

Mas este é apenas gás neutro. Eventualmente, se esse gás neutro ficar denso o suficiente, ele deve formar a mais indescritível de todas as classes de estrelas: População III estrelas, que até agora, foram apenas teorizadas. Ao contrário de estrelas super ricas em metais como o nosso Sol (População I), que viram muitas, muitas gerações de estrelas se formarem antes, ou estrelas pobres em metais (População II), encontradas nos halos de galáxias e em galáxias muito jovens, onde apenas algumas gerações de estrelas viveram e morreram antes, essas estrelas devem ser formadas a partir do gás que sobrou do Big Bang e nada mais .

As estrelas da população III só foram teorizadas até agora… mas com novas observações, podemos ter mudado tudo isso.

Crédito da imagem: David Sobral et al.

Uma equipa liderada por David Sobral acaba de confirmar espectroscopicamente que uma das galáxias mais distantes e luminosas do Universo pode estar abrigando um grupo de estrelas da População III , o que o tornaria o primeiro assinatura observacional para este conjunto de estrelas que devo existiram, mas que nunca vimos antes.

Mas, ao mesmo tempo, temos que ter cuidado com essas estrelas; poderíamos facilmente nos enganar e estar confundindo uma amostra quase pura com uma realmente pura. Afinal, nossas observações têm limites, e esse é um território inexplorado para a ciência. Então, ao invés de escrever tudo sobre isso para você do meu não - do ponto de vista de um especialista (posso ser um astrofísico, mas sou um cosmólogo teórico, não um especialista em formação estelar), decidi recorrer ao próprio especialista em formação estelar, David Sobral, primeiro autor desta descoberta! Ele teve a gentileza de me conceder uma entrevista exclusiva, e o que segue são minhas perguntas – e suas respostas – na íntegra. (Minhas perguntas estão em negrito ; suas respostas estão em itálico .)

Vamos dar-lhe um vídeo de impressão de artista deste cluster, conhecido como COSMOS Redshift 7 (ou CR7, para os fãs de Cristiano Ronaldo), e mergulhe de cabeça!

As estrelas da população III são supostamente as primeiras estrelas do Universo, formadas a partir dos elementos que sobraram da Nucleossíntese do Big Bang e nada mais. O que nos leva a suspeitar que esses as estrelas ainda estão intactas?

O espectro da fonte, desde o óptico até o infravermelho próximo (observado) revela uma linha de emissão Lyman-alfa muito brilhante, uma linha de emissão HeII muito forte (basicamente o hélio é completamente ionizado) no quadro de repouso 1640Å, mas , surpreendentemente, nenhuma outra linha de emissão. Porque vemos HeII 1640Å, isso significa que a fonte é extremamente quente e altamente energética no UV e, portanto, esperaríamos ver, por exemplo, CIII], CIV], OIII], etc. Estes são vistos em todas as fontes com forte emissão de HeII, mesmo nas fontes mais pobres em metais conhecidas.

[Nota de Ethan: números como I, II, III, etc., após um elemento indicam seu estado de ionização, correspondendo a 0, 1, 2, etc. elétrons ionizados. A transição para esse estado no átomo é denotada CIII se a transição não for proibida, CIII] se for semi-proibida, ou [CIII] se for proibida, mecanicamente quântica.]

No entanto, no caso do CR7, todas as outras linhas de metal permanecem não detectadas e já temos limites de linha bastante fortes, por exemplo. HeII/OIII] 1663Å >3 e HeII/CIII] 1908Å > 2,5. Mesmo as galáxias mais pobres em metal têm proporções de linha tipicamente unitárias e inferiores, então isso pelo menos coloca a galáxia na mais pobre em metal que já vimos. Nosso objetivo é usar o HST e o grism para aumentar ainda mais essas relações/limites de linha e realmente testar o cenário sem metal. Outra coisa importante sobre a descoberta é que esperamos que dois componentes dentro da galáxia já estejam enriquecidos e contenham populações estelares mais normais: observações profundas de HST gris podem nos permitir detectar elementos pesados ​​de tais componentes enriquecidos - se isso acontecesse, seria fortalecer ainda mais nossa interpretação de uma onda PopIII se afastando do local inicial de formação estelar PopIII.

A conclusão da reionização, onde estrelas suficientes se formaram para ionizar o meio intergaláctico e tornar o Universo transparente à luz visível, acontece cerca de 550 milhões de anos após o Big Bang, com estrelas existindo por centenas de milhões de anos antes disso. Por que suspeitamos que ainda haverá material intocado deixado tão tarde no jogo?

Obviamente é difícil definir a conclusão da reionização, mas sabemos que certamente não é 100% mesmo depois de 800 milhões de anos. Sabemos que por ex. a função de Luminosidade Lyman-alfa e a fração lyman-alfa (juntamente com estudos de quasares) que ainda existe algum hidrogênio neutro acima de z~6. Dito isto, também sabemos que a maior parte da reionização acontece antes disso (no entanto, os resultados mais recentes do CMB continuam empurrando o momento instantâneo para a reionização para tempos posteriores).

No entanto, nossos achados não são inconsistentes com isso. Na verdade, *precisamos* de gerações anteriores de estrelas para cavar uma bolha grande o suficiente em torno desta galáxia (pelo menos ~ 1 Mpc) para podermos ver uma linha Lyman-alfa tão brilhante (caso contrário, ela seria simplesmente absorvida antes de mudar para o vermelho de o resto-frame Lyman-alpha, e não chegaria até nós). Basicamente, um único episódio PopIII de formação estelar nunca será visto, antes que a reionização esteja completa, em Lyman-alfa: quando os fótons UV tiverem cavado uma bolha grande o suficiente, as estrelas mais massivas estarão mortas e nenhum Lyman-alfa alfa será produzido.

Então, o que estamos realmente vendo é algo diferente e consistente com algumas previsões teóricas de uma onda PopIII. Isso acontece em simulações, onde algumas galáxias, mesmo com desvios para o vermelho de ~3 ou mais, conseguem manter alguns bolsões de gás puro e, assim, o PopIII SF fica atrasado. Isso pode acontecer por vários motivos. No caso de CR7, os dois aglomerados onde a maior parte da massa estelar está (mais vermelha) parecem ter sido mais do que capazes de impedir a formação de estrelas PopIII a alguns kpc de distância devido à intensa radiação Lyman Werner. Portanto, embora esses fótons UV produzidos por gerações anteriores de estrelas nas partes evoluídas tenham contribuído para ionizar uma bolha e impedir a formação de estrelas PopIII ao redor, eles provavelmente contaminaram apenas os 1–2 kpc ao seu redor, enquanto a luz chegou mais longe.

Estudos anteriores encontraram gás puro ainda mais tarde do que isso, mas vieram de linhas de absorção iluminadas por quasares de fundo. Como as técnicas de linhas de emissão permitem concluir que esse gás é puro, simplesmente pela ausência de certos elementos excitados?

Até onde eu sei, nenhum gás puro foi encontrado. Muito pobre em metal, sim, mas não tenho conhecimento de nenhum estudo que tenha encontrado gás puro verdadeiro. O ponto neste caso é a linha forte HeII 1640 Å. Se você ionizar completamente o hélio e produzir esta linha de emissão, você também deve produzir linhas de emissão fortes CIII] e OIII]. E não os vemos.

[Nota de Ethan: David esclareceu que ele se refere ao gás cristalino dentro dos halos das galáxias apenas quando afirma que nenhum gás puro jamais foi encontrado. Isto é não sugerir que as amostras encontradas por Michele Fumagalli, John M. O'Meara e J. Xavier Prochaska, mencionadas anteriormente, estão poluídas!]

Existe uma população de estrelas mais avermelhada (ou seja, evoluída) muito próxima desta amostra suspeita de Pop III. Qual é o risco de contaminação, aqui, e por que ainda esperaríamos que esse jovem aglomerado azul fosse intocado?

Os aglomerados mais vermelhos são absolutamente essenciais para a interpretação: não apenas para explicar por que podemos ver Lyman-alfa, mas também para explicar por que essa potencial última onda de formação de estrelas PopIII é possível. Precisamos que os outros aglomerados tenham produzido muitos fótons UV no passado, e sabemos que agora eles provavelmente estão enriquecidos. A partir de simulações, também sabemos que a luz viaja muito mais rápido e eficientemente do que os metais.

Até que nível podemos descartar a presença de carbono e oxigênio (os primeiros elementos pesados ​​formados nas estrelas) nessas estrelas com base nos dados disponíveis, e até que nível poderíamos precisar para descartá-los para serem convencidos de que temos uma verdadeira amostra Pop III aqui?

Com os novos dados do HST/Grism (WFC3) chegaremos a limites onde a discussão entre ultra-metal-poor e metal free se torna inútil. Por outro lado, obter um espectro JWST no MIR não deixará dúvidas: se isso for realmente livre de metal, veremos apenas H-beta e várias linhas de hélio. Se houver pelo menos alguns metais, veremos uma forte emissão de [OIII].

[Nota de Ethan: esta linha é totalmente proibido, já que é o 5007 Linha Å vista apenas em regiões de densidade muito baixa.]

Existe alguma coisa sobre as estrelas da População III e o Telescópio Espacial James Webb que você acha que o mundo deveria saber?

O JWST não apenas nos permitirá entender realmente a natureza dessa fonte, mas poderá até nos mostrar se isso é muito mais comum do que se pensava. Em princípio, o JWST poderia revelar fortes linhas de hélio no MIR ao começar a obter espectros das galáxias mais distantes que conhecemos hoje. Isso provavelmente mostraria que alguma formação estelar PopIII continua por mais tempo do que o esperado e também nos fará revisar nossos modelos e interpretação de fontes de alto desvio para o vermelho.

E, finalmente, há mais alguma coisa, seja sobre esta amostra ou sobre a detecção de uma amostra intocada de material que você gostaria de compartilhar?

Uma coisa que torna essa fonte realmente empolgante, além de ser ultrabrilhante em Lyman-alpha e Helium II, mas não apresentar linhas metálicas, é a interpretação. O cenário da onda PopIII pode funcionar, mas a alternativa seria igualmente empolgante: um buraco negro de colapso direto. Basicamente, ambos precisam de gás livre de metal, e ambos precisam de uma população anterior significativa de estrelas para retardar a formação de estrelas sem enriquecê-la. CR7 parece estar nas condições ideais para ambos.

Crédito da imagem: M. Kornmesser / ESO. Por favor, note que este é apenas um ilustração de CR7, não uma imagem real.

Obrigado a David por fornecer todos esses excelentes detalhes sobre o que posso acabaram sendo as primeiras estrelas verdadeiras da População III no Universo, algo que eu estava convencido de que teríamos que esperar até James Webb para encontrar. A coisa realmente legal sobre essa descoberta é que, em breve, poderemos colocá-la em contexto. A equipe de Sobral, usando os telescópios mais avançados do mundo, está expandindo suas pesquisas espectroscópicas para esses tipos de galáxias, nos maiores desvios para o vermelho, tanto mais próximos quanto mais distantes do que CR7.

Embora o Hubble possa ou não nos encontrar outra amostra como esta, o JWST deve nos dar bastante de estrelas da População III, e então podemos realmente descobrir se CR7 não é apenas uma parte dessa amostra, mas se pode, de fato, ser o durar , estrelas da População III mais recentes presentes em todo o nosso Universo observável!

Que momento para estar vivo.

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