• Começa Com Um Estrondo

Quantas estrelas existem no Universo?

O aglomerado Terzan 5 tem muitas estrelas mais velhas e de menor massa presentes (fracas e em vermelho), mas também estrelas mais quentes, mais jovens e de maior massa, algumas das quais irão gerar ferro e elementos ainda mais pesados. Ele contém uma mistura de estrelas da População I e da População II, indicando que este aglomerado passou por vários episódios de formação estelar. As diferentes propriedades de diferentes gerações podem nos levar a tirar conclusões sobre as abundâncias iniciais dos elementos de luz e nos dão pistas sobre a história da formação estelar do nosso cosmos. (Crédito: NASA/ESA/Hubble/F. Ferraro)

• Se você olhar para todo o Universo observável, 46,1 bilhões de anos-luz em todas as direções, descobrirá que existem cerca de 2 trilhões de galáxias contidas nele.
• Nossa galáxia Via Láctea, nossa galáxia natal, contém algumas centenas de bilhões de estrelas, então você pode pensar que multiplicar as estrelas em nossa galáxia pelo número de galáxias no Universo é uma ótima maneira de estimar o número de estrelas em geral.
• Mas nossa galáxia não é típica, e nem, aliás, nosso Sol. Veja quantas estrelas realmente existem no Universo e quais diferenças elas têm em relação às nossas.

Para onde quer que olhemos, em todas as direções do espaço, vemos que o Universo está repleto de estrelas e galáxias. Em uma noite clara e escura, o olho humano nu pode ver cerca de 6.000 deles, mas isso é apenas uma pequena fração de tudo o que está lá fora. Nossa galáxia Via Láctea - nosso lar cósmico no Universo - abrange mais de 100.000 anos-luz de diâmetro e contém aproximadamente 400 bilhões de estrelas. Existem cerca de 60 galáxias, no total, em nosso Grupo Local, e uma delas, Andrômeda, contém ainda mais estrelas do que nós.

Se olharmos através do tempo cósmico e extrapolarmos o que deve estar lá fora, com base no que podemos ver e no que sabemos sobre o Universo que está além de nossa capacidade atual de descobrir, descobrimos que há um total de cerca de ~ 2 trilhões galáxias do Universo. Muito simplesmente, você pode pensar em multiplique o número de estrelas em nossa própria galáxia pelo número de galáxias no universo para estimar o número total de estrelas que poderíamos ver.

Só que, se você fizer isso, não apenas obterá a resposta errada, mas também superestimará o número de estrelas por um fator de muitas centenas. Aqui está quantas estrelas estão realmente contidas no Universo observável e como podemos descobrir isso.

O Hubble eXtreme Deep Field (XDF) pode ter observado uma região do céu apenas 1/32.000.000 do total, mas foi capaz de descobrir 5.500 galáxias dentro dele: cerca de 10% do número total de galáxias realmente contidas neste fatia estilo lápis-feixe. Os 90% restantes das galáxias são muito fracos ou muito vermelhos ou muito obscurecidos para o Hubble revelar, mas quando extrapolamos todo o Universo observável, esperamos obter um total de ~ 2 trilhões de galáxias dentro do Universo visível. ( Crédito : Equipes HUDF09 e HUDF12; Processamento: E. Siegel)

A primeira coisa que você precisa entender é por que a maneira mais ingênua de tentar calcular as estrelas do Universo é insuficiente. Seu instinto inicial é provavelmente dizer:

• vivemos na Via Láctea, no aqui e agora,
• e a Via Láctea é uma galáxia que contém estrelas,
• para que possamos contar (ou estimar) o número de estrelas na Via Láctea, bem como o número de galáxias no Universo observável,
• e, em seguida, multiplique esses dois números juntos,
• e viola, o número de estrelas que estão contidas no Universo observável.

Mas esse método faz várias suposições que não são necessariamente verdadeiras. Assume-se que a Via Láctea é uma boa representação de como é a galáxia média no Universo, quando na verdade não é. Assume-se que as estrelas que vemos na Via Láctea representam uma média razoável para as estrelas que vemos no Universo, quando, novamente, não são. E assume que as galáxias que encontramos em estágios muito iniciais de suas vidas – galáxias que estamos vendo como eram bilhões de anos no passado – têm tantas estrelas quanto as galáxias modernas têm hoje.

Nenhuma dessas suposições é verdadeira. Mas, felizmente, isso não nos impede de descobrir com precisão quantas estrelas existem para olhar, hoje, no Universo visível.

Diagrama esquemático da história do Universo, destacando a reionização. Antes da formação de estrelas ou galáxias, o Universo estava cheio de átomos neutros que bloqueiam a luz. Enquanto a maior parte do Universo não se reioniza até 550 milhões de anos depois, algumas regiões alcançam a reionização completa mais cedo e outras mais tarde. As primeiras grandes ondas de reionização começam a acontecer por volta de 250 milhões de anos, enquanto algumas estrelas afortunadas podem se formar apenas 50 a 100 milhões de anos após o Big Bang. Com as ferramentas certas, como o Telescópio Espacial James Webb, podemos começar a revelar as primeiras galáxias. ( Crédito : S.G. Djorgovski et ai., Caltech. Produzido com a ajuda do Caltech Digital Media Center)

Quando pensamos nas estrelas que se formaram ao longo da história do Universo, há muito a considerar. Inicialmente, no início do Big Bang quente, não havia estrelas: apenas os ingredientes brutos na forma de partículas subatômicas que eventualmente gravitariam e colapsariam para formar estrelas. Este processo não é rápido; requer que o Universo evolua de muitas maneiras. Tem que formar os núcleos atômicos que vão ancorar os primeiros átomos, algo que ocorre durante os primeiros minutos do Big Bang em um processo conhecido como nucleossíntese do Big Bang.

O Universo então precisa esfriar o suficiente para que os elétrons possam se ligar a esses núcleos atômicos, criando átomos neutros: um processo que leva aproximadamente 380.000 anos.

Mesmo depois de tudo isso, o Universo é quase perfeitamente uniforme; ele nasceu com quase a mesma densidade em todos os lugares, com regiões superdensas e subdensas apenas desviando da média cósmica por algumas partes em 100.000. Levará muito mais tempo – dezenas a centenas de milhões de anos – para que essas regiões superdensas cresçam o suficiente para desencadear a formação das primeiras estrelas. E quando esse momento finalmente ocorre, as estrelas que surgem não são nada parecidas com as estrelas que vemos e conhecemos hoje.

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 metais. As primeiras estrelas de todas devem ter sido mais pesadas, mais massivas e de vida mais curta do que as estrelas que vemos hoje. ( Crédito : ESO/M. Kornmesser)

As primeiras estrelas, você vê, não tinham quantidades significativas de elementos pesados ​​para ajudá-las a se formar. Elementos pesados, como carbono, oxigênio, nitrogênio, silício, ferro e outros, são os principais meios pelos quais as nuvens de gás em colapso podem resfriar, irradiando calor e energia. Mas logo após o Big Bang quente, não havia tais elementos: o Universo era quase exclusivamente composto de hidrogênio e hélio e seus isótopos. De fato, 99,9999999% dos átomos do Universo (em massa) eram alguma forma de hidrogênio e hélio, e esse pequeno pedaço restante era exclusivamente lítio. (Embora tecnicamente houvesse um pouco de berílio, no início, que decaiu em lítio antes que as primeiras estrelas se formassem.)

Hidrogênio e hélio são átomos terríveis, no entanto, em irradiar calor. De fato, neste ambiente inicial, o melhor método que uma nuvem de gás em contração teria para liberar seu calor – um passo essencial para levar à contração desse gás, o suficiente para formar estrelas – é sem dúvida através da molécula de hidrogênio diatômica ocasional (H_dois), que ainda é tremendamente ineficiente em comparação com os elementos pesados ​​modernos.

O (moderno) sistema de classificação espectral Morgan-Keenan, com a faixa de temperatura de cada classe de estrelas mostrada acima, em kelvin. A esmagadora maioria (80%) das estrelas hoje são estrelas da classe M, com apenas 1 em 800 sendo massiva o suficiente para uma supernova. Apenas cerca de metade de todas as estrelas existe isoladamente; a outra metade está ligada a sistemas multi-estrelas. Anteriormente, quando não havia elementos pesados, praticamente todas as estrelas que se formavam eram estrelas O e B: o tipo mais quente, azul e massivo. ( Crédito : LucasVB/Wikimedia Commons; Anotações: E. Siegel)

Como resultado, as primeiras estrelas que se formam requerem nuvens de gás muito grandes e massivas, e as massas das estrelas que se formam são muito maiores do que as estrelas típicas que vemos hoje. Enquanto a estrela média que se forma hoje tem uma massa de cerca de 40% da massa do Sol, a massa média da primeira geração de estrelas tem que ser cerca de dez vezes a massa do Sol.

Há uma citação do filme Blade Runner que sempre me faz pensar em estrelas massivas, A luz que queima duas vezes mais brilhante queima metade do tempo. Mas para as estrelas, a situação é ainda pior. Se você tem duas estrelas feitas de material idêntico, mas uma é duas vezes mais massiva que a outra, a estrela mais massiva será aproximadamente oito vezes mais luminosa e viverá apenas um oitavo do tempo; brilho e tempo de vida parecem estar relacionados ao cubo da massa da estrela. Quando falamos de uma estrela que é dez vezes mais massiva que o Sol, estamos falando de algo que brilha mil vezes mais, e algo que vive apenas ~0,1% da duração do Sol: apenas alguns milhões de anos, em vez do que alguns bilhões de anos.

Há três razões pelas quais isso é importante.

1. Quando pensamos na primeira geração de estrelas que se forma, temos que reconhecer que elas têm vida extremamente curta e que nenhuma dessas primeiras estrelas que se formaram há mais de 10 bilhões de anos ainda existe hoje.
2. Também temos que reconhecer que eles são fundamentalmente diferentes das estrelas que se formam mais tarde: eles têm uma função de massa inicial muito diferente, ou distribuição do número de estrelas de uma determinada massa, das estrelas que se formam depois.
3. Mas também, quando pensamos na primeira geração de estrelas, temos que perceber que elas são excelentes em fornecer esses primeiros conjuntos de elementos pesados ​​ao seu entorno, e que a segunda geração de estrelas, que deve se formar logo após a primeira, ser muito diferente.

A região de formação de estrelas Sh 2-106 apresenta um conjunto interessante de fenômenos, incluindo gás iluminado, uma estrela central brilhante que fornece essa iluminação e reflexos azuis do gás que ainda não foi expelido. As várias estrelas nesta região provavelmente vêm de uma combinação de estrelas de muitos passados ​​e histórias geracionais diferentes, mas nenhuma delas é pura: todas elas contêm quantidades significativas de elementos pesados. ( Crédito : ESA/Hubble e NASA.)

Uma vez que começamos a formar a segunda geração de estrelas, realmente sabemos do que estamos falando: muitas dessas estrelas ainda estão por aí hoje, e muitas regiões análogas com muito poucos elementos pesados ​​ainda estão formando estrelas hoje. As primeiras estrelas que se formam nas galáxias mais distantes ainda não foram descobertas diretamente - embora existam grandes razões para esperar que o Telescópio Espacial James Webb mude isso em breve - mas temos excelentes medições de como o Universo formou gerações subsequentes de estrelas que datam de toda a história do Universo. Para onde quer que olhemos, em todas as direções e locais, onde quer que possamos ver estrelas e galáxias, podemos medir a taxa de formação de estrelas no interior.

Um dos avanços notáveis, mas em grande parte não anunciados, em astronomia e astrofísica nos últimos anos foi o desenvolvimento de uma compreensão abrangente de como a formação de estrelas progrediu ao longo da história do Universo. Por muito tempo, tivemos muito pouca informação sobre se a formação de estrelas havia aumentado ou diminuído ao longo de nossa história cósmica e o que isso significava para o número total de estrelas no Universo.

Não mais! Durante as décadas de 2000 e 2010, esse campo da ciência outrora obscuro ficou tremendamente em foco, e um artigo de revisão de referência, publicado pela primeira vez em 2014 , finalmente nos permitiu descobrir a história da formação estelar do Universo, ao longo do tempo, desde os dias atuais até uma época em que o Universo tinha apenas ~ 650 milhões de anos, ou apenas ~ 5% de sua idade atual.

A taxa de formação de estrelas no Universo em função do desvio para o vermelho, que é em si uma função do tempo cósmico. A taxa geral, à esquerda, é derivada de observações ultravioleta e infravermelha e é notavelmente consistente ao longo do tempo e do espaço. ( Crédito : P. Madau & M. Dickinson, 2014, ARAA)

Embora permaneça uma grande incerteza em relação aos primeiros 650 milhões de anos, há excelentes notícias para aqueles que desejam saber o número de estrelas no Universo moderno. Primeiro, muito menos de 1% do total de estrelas a se formar no Universo se formou durante esse período inicial, caso contrário, os átomos neutros no meio intergaláctico do Universo teriam se reionizado muito mais cedo do que observamos esse evento ocorrer: ~ 550 milhões de anos depois a grande explosão.

Segundo, uma vez que a quantidade de elementos pesados ​​no Universo atinge cerca de 1 parte em 1000 do que é medido em nosso Sol, podemos estar bastante confiantes de que a função de massa inicial das estrelas que se formam - lembre-se, é assim que o as estrelas que se formam são distribuídas em função do número e da massa – são relativamente as mesmas de como são hoje ao longo do tempo cósmico.

E terceiro, se quisermos saber quantas estrelas existem hoje, tudo o que temos a fazer é somar o número total de estrelas que se formaram ao longo da história do Universo, e então subtrair a fração de estrelas que deveriam ter completaram seus ciclos de vida até os dias atuais: ou seja, subtrair as estrelas que já morreram.

Um remanescente de supernova do tipo Ia, resultante de uma anã branca explosiva após acreções ou fusões, terá um espectro e uma curva de luz fundamentalmente diferentes das supernovas de colapso do núcleo. Estes são dois caminhos para as mortes estelares, mas apenas uma pequena porcentagem de estrelas, principalmente as mais massivas, passaram por seus ciclos de vida e deixaram de ser estrelas atualmente. ( Crédito : NASA / CXC / U.Texas)

Há então duas respostas para a pergunta de quantas estrelas existem no universo? A resposta que você obtém depende, é claro, do que você quer dizer com a pergunta que está fazendo. Você quer dizer:

1. Quantas estrelas existem no Universo observável hoje? Ou seja, se você pudesse desenhar uma esfera imaginária em torno de nossa localização no espaço, que se estende por 46,1 bilhões de anos-luz em todas as direções (o tamanho do Universo visível), e medir todas as estrelas dentro delas que existem, hoje, 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, quantas estrelas você teria?
2. Ou, alternativamente, quantas estrelas são atualmente observáveis, se tivéssemos poder telescópico infinito, sensibilidade e cobertura de comprimento de onda, de nossa perspectiva, atualmente? Ou seja, se olharmos para todas as estrelas e galáxias como as vemos hoje, com a luz que está chegando aos nossos olhos de todo o Universo neste exato momento, quantas estrelas veríamos?

As respostas a essas duas perguntas são diferentes, e talvez mais diferentes do que você imagina.

Esta região de campo profundo do campo GOODS-South contém 18 galáxias formando estrelas tão rapidamente que o número de estrelas dentro dele dobrará em apenas 10 milhões de anos: apenas 0,1% do tempo de vida do Universo. As visões mais profundas do Universo, reveladas pelo Hubble, nos levam de volta ao início da história do Universo, onde a formação de estrelas era muito maior, e a épocas em que a maioria das estrelas do Universo ainda não havia se formado. ( Crédito : NASA, ESA, A. van der Wel (Max Planck Institute for Astronomy), H. Ferguson e A. Koekemoer (Space Telescope Science Institute) e a equipe CANDELS)

A primeira é mais fácil de responder, pois exige apenas que somemos, numericamente, todas as estrelas que se formaram ao longo da história do Universo e subtraímos a (pequena) porcentagem de estrelas que morreram. Como nosso Sol, que tem uma vida útil total de 10 a 12 bilhões de anos, é mais massivo e de vida mais curta do que 95% das estrelas em nosso Universo, estaríamos apenas ~ 5%, no máximo, se assumimos que todas as estrelas nascidas ainda estavam vivas.

Se você fizer essa suposição, um cálculo direto nos ensina que haveria um total de 2,21 sextilhão (ou 2,21 × 10^{vinte e um}) estrelas do Universo. Isso é muito: cerca de um bilhão de estrelas para cada uma das ~2 trilhões de galáxias estimadas em nosso Universo, mas um fator cerca de ~400 menor do que a resposta que você obteria multiplicando o número de estrelas na Via Láctea por o número de galáxias no Universo.

A Via Láctea é uma galáxia maior e mais massiva que a média, assim como o Sol é maior e mais massivo que ~ 95% das estrelas que existem. Se você levar em conta a morte estelar, descobrirá que atualmente temos cerca de 2,14 sextilhões de estrelas no Universo, hoje, 13,8 bilhões de anos após o Big Bang. Se, em vez disso, você olhasse para o Universo quando era mais jovem, descobriria que tínhamos:

• 98% de nossas estrelas atuais se formam 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: apenas 3% de seu máximo, que atingiu há mais de 10 bilhões de anos.

A imagem mostra a região central da Nebulosa da Tarântula na Grande Nuvem de Magalhães. O jovem e denso aglomerado estelar R136 pode ser visto no canto inferior direito da imagem. As forças de maré exercidas na Grande Nuvem de Magalhães pela Via Láctea estão provocando uma onda de formação de estrelas, resultando em centenas de milhares de novas estrelas. No entanto, isso empalidece em comparação com a forma como a formação de estrelas funcionou no pico do Universo, que é longo em nosso passado. ( Crédito : NASA, ESA e P. Crowther (Universidade de Sheffield))

Mas e se você quisesse saber quantas estrelas existem no Universo que você pode ver, agora, com poder de observação infinito e sem restrições? Lembre-se de que neste Universo, à medida que você olha para distâncias cada vez maiores, também está olhando progressivamente para trás no tempo. Quando você olha para uma galáxia que está vendo como era há 6,5 bilhões de anos, verá apenas ~ 75% das estrelas que encontraria em uma galáxia comparável hoje. Isso corresponde a uma distância de pouco mais de 8 bilhões de anos-luz de distância. Mas em termos do volume do Universo que você pode ver, lembre-se que é um Universo tridimensional, e se pudermos ver ~ 46 bilhões de anos-luz em todas as direções, voltar ~ 8 bilhões de anos-luz de distância abrange apenas meio por cento do volume do Universo observável.

Quando faço esse cálculo, descubro que só podemos ver cerca de 8 × 10¹⁹estrelas da nossa perspectiva: cerca de 4% do total de estrelas que existem dentro do nosso Universo observável, hoje, 13,8 bilhões de anos após o Big Bang. Ainda mais enfaticamente, esse número é apenas 0,01% do número (incorreto) de estrelas que você estimaria estar em nosso Universo se você multiplicasse o número de estrelas na Via Láctea pelo número de galáxias no Universo observável. Embora ainda haja um grande número de coisas para descobrir sobre as primeiras estrelas e galáxias do Universo, já conhecemos a história da maioria delas. Embora todos esses números sejam enormes, eles são finitos e há menos estrelas que podemos observar do que quase todo mundo imagina. Aproveite as vistas que temos, porque a maior parte do Universo não está apenas fora de alcance, está além da nossa capacidade de ver por nós mesmos.

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