Começa Com Um Estrondo

Como foi quando as galáxias formaram o maior número de estrelas?

Quando grandes fusões de galáxias de tamanho semelhante ocorrem no Universo, elas formam novas estrelas a partir do gás hidrogênio e hélio presentes dentro delas. Isso pode resultar em taxas severamente aumentadas de formação de estrelas, semelhante ao que observamos dentro da galáxia vizinha Henize 2–10, localizada a 30 milhões de anos-luz de distância. (RAIO-X (NASA/CXC/VIRGINIA/A.REINES ET AL); RÁDIO (NRAO/AUI/NSF); ÓPTICO (NASA/STSCI))

Por mais de 10 bilhões de anos, a taxa de formação de estrelas em todo o Universo vem caindo. Aqui está a história.

Dê uma olhada em uma grande variedade de galáxias no Universo e você encontrará um conjunto muito diferente de histórias. As maiores são elípticas gigantes, muitas das quais não formaram novas estrelas na segunda metade de toda a nossa história cósmica. Muitas galáxias espirais são como a nossa Via Láctea, com um pequeno número de regiões formando novas estrelas, mas onde a galáxia em geral é silenciosa. E algumas galáxias estão passando por períodos rápidos e intensos de formação estelar, desde espirais interativas repletas de milhões de novas estrelas até galáxias irregulares de explosão estelar, onde toda a galáxia se transforma em uma região de formação de estrelas.

Mas, em média, as taxas de formação de novas estrelas hoje são as mais baixas desde os estágios iniciais extremos do Universo. A maioria das estrelas no Universo se formou apenas nos primeiros 1 a 3 bilhões de anos, e a taxa de formação de estrelas despencou desde então. Aqui está a história cósmica por trás disso.

Uma imagem composta do Hubble/Spitzer do aglomerado de galáxias SpARCS1049+56 mostra como uma fusão rica em gás (centro) pode desencadear a formação de novas estrelas. (NASA/STSCI/ESA/JPL-CALTECH/MCGILL)

Nos primeiros dias do Universo, a matéria é muito mais densa do que é hoje. Há uma razão muito simples para isso: há uma quantidade fixa de material no Universo observável, mas o próprio tecido do espaço está se expandindo. Então você esperaria que, quando o Universo fosse mais jovem, houvesse mais formação de estrelas, já que mais matéria estaria mais próxima para se aglomerar e formar estrelas.

Mas também nos primeiros dias, o Universo era mais uniforme. No momento do Big Bang quente, as regiões mais densas de todas eram apenas cerca de 0,01% mais densas do que uma região média típica e, portanto, leva muito tempo para essas regiões superdensas crescerem e coletarem matéria suficiente para formar estrelas, galáxias, e estruturas ainda maiores. No início, você tem fatores trabalhando tanto a seu favor quanto contra você.

Galáxias que estão atualmente passando por interações ou fusões gravitacionais estão quase sempre formando novas estrelas azuis brilhantes. O colapso simples é a maneira de formar estrelas no início, mas a maior parte da formação de estrelas que vemos hoje resulta de um processo mais violento. As formas irregulares ou perturbadas de tais galáxias são uma assinatura chave de que é isso que está ocorrendo. (NASA, ESA, P. OESCH (UNIVERSIDADE DE GENEBRA) E M. MONTES (UNIVERSIDADE DE NOVA GALES DO SUL))

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

Vemos isso no Universo próximo, tanto em regiões dentro de uma galáxia, como a Nebulosa da Tarântula na Grande Nuvem de Magalhães, quanto nas escalas de galáxias inteiras, como em Messier 82 (a galáxia do Charuto), que está sendo gravitacionalmente influenciado por seu vizinho, Messier 81.

A galáxia starburst Messier 82, com matéria sendo expelida como mostrado pelos jatos vermelhos, teve essa onda de formação estelar atual desencadeada por uma interação gravitacional próxima com sua vizinha, a brilhante galáxia espiral Messier 81. (NASA, ESA, EQUIPE HUBBLE HERITAGE, (STSCI / AURA); AGRADECIMENTOS: M. MOUNTAIN (STSCI), P. PUXLEY (NSF), J. GALLAGHER (U. WISCONSIN))

Mas o maior gatilho para a formação de estrelas é durante o que os astrônomos chamam de grande fusão. Quando duas galáxias comparáveis 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 casos de formação de estrelas no Universo, e alguns deles estão ocorrendo até hoje.

Isso significa que a formação de estrelas continua a ocorrer nas mesmas taxas, ou perto delas, como em seu pico? Dificilmente. A maioria dessas grandes fusões já está longe no espelho retrovisor da história do Universo. A expansão do Universo é um fenômeno implacável, assim como a gravitação. O problema é que há uma competição acontecendo e a gravitação perdeu há muito tempo.

Os destinos esperados do Universo (três primeiras ilustrações) correspondem a um Universo onde a matéria e a energia lutam contra a taxa de expansão inicial. Em nosso Universo observado, uma aceleração cósmica é causada por algum tipo de energia escura, que até agora é inexplicável. Todos esses Universos são regidos pelas equações de Friedmann, que relacionam a expansão do Universo aos vários tipos de matéria e energia presentes nele. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Se o Universo fosse feito 100% de matéria, e a taxa de expansão inicial e a densidade da matéria se equilibrassem perfeitamente, viveríamos em um Universo que sempre teria grandes fusões em seu futuro. Não haveria limite para o tamanho da estrutura em grande escala que se formou:

aglomerados de estrelas se fundiriam em proto-galáxias,
proto-galáxias 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. Com o passar do tempo, não haveria limite para a escala em que a teia cósmica crescia e crescia.

A teia cósmica da matéria escura e a estrutura em grande escala que ela forma. A matéria normal está presente, mas é apenas 1/6 da matéria total. Os outros 5/6 são matéria escura, e nenhuma quantidade de matéria normal vai se livrar disso. Se não houvesse energia escura no Universo, a estrutura continuaria a crescer e crescer em escalas cada vez maiores com o passar do tempo. (A SIMULAÇÃO DO MILÊNIO, V. SPRINGEL ET AL.)

Infelizmente, para todos os fãs de novas estrelas, esse não é o nosso universo. Nosso Universo tem muito menos matéria do que isso, 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 vem na forma de energia escura, que serve apenas para separar as estruturas não ligadas.

Como resultado, não obtemos nenhuma estrutura em grande escala que esteja além dos tamanhos dos aglomerados de galáxias. Claro, alguns aglomerados de galáxias se fundirão, mas não existe um superaglomerado; essas estruturas aparentes são meros fantasmas, a serem destruídos à medida que o Universo continua a se expandir.

O superaglomerado Laniakea, contendo a Via Láctea (ponto vermelho), nos arredores do Aglomerado de Virgem (grande coleção branca perto da Via Láctea). Apesar da aparência enganosa da imagem, esta não é uma estrutura real, pois a energia escura separará a maioria desses aglomerados, fragmentando-os com o passar do tempo. (TULLY, R. B., COURTOIS, H., HOFFMAN, Y & POMARÈDE, D. NATURE 513, 71–73 (2014))

Dado o Universo que temos, então, como é a nossa história de formação de estrelas? As primeiras estrelas se formam depois de talvez 50 a 100 milhões de anos, quando as nuvens moleculares de pequena escala podem acumular matéria suficiente para entrar em colapso. Quando o Universo tem cerca de 200 a 250 milhões de anos, os primeiros aglomerados de estrelas se fundiram, desencadeando uma nova onda de formação de estrelas e formando as primeiras galáxias. Quando o Universo tem 400-500 milhões de anos, as maiores galáxias já cresceram para alguns bilhões de massas solares: cerca de 1% da massa da Via Láctea.

Um pouco mais tarde, os primeiros aglomerados de galáxias começam a se formar, grandes fusões se tornam comuns e a teia cósmica começa a ficar cada vez mais densa. Nos primeiros 2 a 3 bilhões de anos do Universo, a taxa de formação de estrelas só continua a aumentar.

Um berçário estelar na Grande Nuvem de Magalhães, uma galáxia satélite da Via Láctea. Este novo sinal próximo de formação de estrelas pode parecer onipresente, mas a taxa na qual novas estrelas se formam hoje, em todo o Universo, é apenas uma pequena porcentagem do que era em seu pico inicial. (NASA, ESA E A EQUIPE HUBBLE HERITAGE (STSCI/AURA)-ESA/HUBBLE COLABORAÇÃO)

Esse aumento, no entanto, não continua além desse ponto. Após cerca de 3 bilhões de anos de idade, a taxa de formação de estrelas começa a cair, e cai abruptamente e continuamente depois disso.

O que está acontecendo para causar isso?

Uma série de fatores, todos trabalhando em conjunto. As estrelas se formam (principalmente) de hidrogênio e gás hélio, que colapsam e iniciam a fusão nuclear. Esta fusão aumenta a pressão interna, trabalhando para expelir 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 recebe mais material dentro dele. Isso significa que, à medida que as galáxias aceleram através de regiões mais densas do espaço, muito desse material potencialmente formador de estrelas é removido.

Uma das galáxias mais rápidas conhecidas no Universo, acelerando através de seu aglomerado (e sendo despojada de seu gás) a poucos por cento da velocidade da luz: milhares de km/s. Trilhas de estrelas se formam em seu rastro, enquanto a matéria escura continua com a galáxia original. (NASA, ESA, JEAN-PAUL KNEIB (LABORATÓRIO DE ASTRÓFÍSICA DE MARSELHA) ET AL.)

Além disso, cada vez mais o material encontrado nessas galáxias é processado com o passar do tempo: preenchido com elementos cada vez mais pesados. Em um novo estudo por cientistas da UC Riverside , eles descobriram que quanto mais velha é uma galáxia formadora de estrelas, mais lenta ela forma estrelas.

Usando alguns de seus próprios clusters SpARCS recém-descobertos, o novo estudo liderado pela UCR descobriu que uma galáxia leva mais tempo para 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 bilhões de anos quando o universo está na meia-idade (6 bilhões de anos), e 5 bilhões de anos no universo atual.

Em outras palavras, novas estrelas se formam em um ritmo mais rápido no início e em um ritmo mais lento hoje. Adicione energia escura, que restringe a formação de estrutura adicional, e você tem uma receita para um Universo muito silencioso.

O Aglomerado de Pandora, conhecido formalmente como Abell 2744, é uma colisão cósmica de quatro aglomerados de galáxias independentes, todos reunidos sob a irresistível força da gravidade. Milhares de galáxias podem ser evidentes aqui, mas o próprio Universo contém talvez dois trilhões delas. (NASA, ESA E J. LOTZ, M. MOUNTAIN, A. KOEKEMOER E A EQUIPE HFF)

Vamos juntar tudo, agora. No início, havia muito material intocado (ou mais puro) e muitas outras fusões de galáxias de tamanho comparável ocorrendo. Quando grandes galáxias se fundiram em aglomerados, eles estavam primeiro formando aglomerados naquela época, o que significa que havia menos massa e mais explosão de estrelas quando as galáxias interagiam. E mesmo que as galáxias sejam maiores hoje do que eram naquela época, elas ainda eram substanciais depois de alguns bilhões de anos, e as fusões eram muito mais comuns.

Tudo dito, de acordo com os estudos mais abrangentes já empreendido , a taxa de formação de estrelas diminuiu 97% desde seu máximo, 11 bilhões de anos atrás.

A taxa de formação de estrelas atingiu o pico quando o Universo tinha aproximadamente 2,5 bilhões de anos e vem diminuindo desde então. No passado recente, a taxa de formação de estrelas realmente despencou, correspondendo ao início do domínio da energia escura. (D. SOBRAL ET AL. (2013), MNRAS 428, 2, 1128-1146)

A taxa de formação de estrelas diminuiu lenta e constantemente por alguns bilhões de anos, correspondendo a uma época em que o Universo ainda era dominado pela matéria, consistindo apenas em material mais processado e envelhecido. Houve menos fusões em número, mas isso foi parcialmente compensado pelo fato de que estruturas maiores estavam se fundindo, levando a regiões maiores onde as estrelas se formavam.

Mas por volta dos 6 a 8 bilhões de anos de idade, os efeitos da energia escura começaram a fazer sua presença conhecida na taxa de formação de estrelas, fazendo com que ela despencasse vertiginosamente. Se quisermos ver as maiores explosões de formação estelar, não temos escolha a não ser olhar para longe. O Universo ultra-distante é onde a formação de estrelas estava no seu máximo, não localmente.

A câmera avançada do Hubble para pesquisas identificou vários aglomerados de galáxias ultradistantes. Se a energia escura é uma constante cosmológica, todos esses aglomerados permanecerão gravitacionalmente ligados, como todos os grupos e aglomerados de galáxias, mas acelerarão para longe de nós e uns dos outros ao longo do tempo, à medida que a energia escura continuar a dominar a expansão do Universo. Esses aglomerados ultradistantes exibem taxas de formação de estrelas muito maiores do que os aglomerados que observamos hoje. (NASA, ESA, J. BLAKESLEE, M. POSTMAN E G. MILEY / STSCI)

Enquanto houver gás remanescente no Universo e a gravitação ainda existir, haverá oportunidades para formar novas estrelas. Quando você pega uma nuvem de gás e a deixa colapsar, apenas cerca de 10% desse material acaba nas estrelas; o restante volta para o meio interestelar, onde terá outra chance em um futuro distante. Embora a taxa de formação de estrelas tenha caído desde os primeiros dias do Universo, não se espera que caia para zero até que o Universo tenha muitos milhares de vezes a sua idade atual. Continuaremos a formar novas estrelas por 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. Devemos ser capazes de descobrir como a formação de estrelas atingiu seu pico e quais foram os fatores que moldaram a taxa de formação de estrelas nos primeiros dias, com o advento do Telescópio Espacial James Webb. Já sabemos como é o Universo e como está em declínio hoje. O próximo grande passo, que está quase chegando, é aprender exatamente como cresceu para ser do jeito que era em cada passo do nosso passado.

Leitura adicional sobre como era o Universo quando: