PicII-503: uma estrela de População II que abre uma janela para as primeiras estrelas (População III)

Há milhares de milhões de anos, quando o Universo ainda era jovem, tudo estava mergulhado numa escuridão profunda. Só depois de as primeiras estrelas se acenderem é que o espaço começou a tornar-se transparente e a luz passou a viajar livremente.

O mais intrigante é que, apesar de décadas de procura, nunca foi observada de forma directa uma única dessas primeiras estrelas, conhecidas como estrelas de População III.

Porque é que as estrelas de População III desapareceram - e o que ficou no seu lugar

Embora o Universo não tenha um centro (pelo que, em teoria, essas primeiras estrelas estariam espalhadas de maneira relativamente uniforme), os astrónomos consideram muito provável que as estrelas de População III fossem muito mais massivas do que as estrelas actuais. Por isso, teriam vivido pouco tempo e desaparecido rapidamente.

Nessa fase inicial, o “combustível” disponível para formar estrelas era quase exclusivamente hidrogénio e hélio. Quando as primeiras estrelas nasceram, começaram a fundir átomos nos seus núcleos e a fabricar elementos cada vez mais pesados, chegando até ao ferro. No fim do combustível, muitas terão terminado a vida em explosões violentas: supernovas que espalharam pelo espaço os elementos produzidos. Além disso, estas explosões funcionam como verdadeiras fornalhas cósmicas onde também se formam elementos mais pesados do que o ferro.

Esses elementos pesados - a que os astrónomos chamam metais - misturam-se no gás interestelar que dará origem a novas estrelas. Assim, quanto mais jovem é uma estrela, mais evidente tende a ser o seu conteúdo em metais; quanto mais antiga, menor costuma ser a sua metalicidade.

PicII-503 e as estrelas de População II: o “quase” que substitui a População III

Foi neste contexto que uma equipa de astrónomos identificou algo que se aproxima do ideal: uma estrela tão “anémica” em termos químicos que terá surgido muito pouco depois da geração que transformou o Universo. Estas estrelas pertencem à População II e são extraordinariamente raras.

A estrela em causa chama-se PicII-503 e é especialmente valiosa por uma razão muito concreta: é a estrela mais pobre em ferro já encontrada fora da Via Láctea, situada numa galáxia anã antiquíssima com mais de 10 mil milhões de anos.

O astrofísico Anirudh Chiti, da Universidade de Stanford, sublinha o quão improvável parecia chegar a este tipo de objecto: descobrir uma estrela que preserve, de forma inequívoca, os metais pesados associados às primeiras estrelas estava no limite do que se considerava possível, dada a raridade extrema destes casos.

Segundo o investigador, com a menor abundância de ferro alguma vez inferida numa galáxia anã ultra-tenue, a PicII-503 oferece uma oportunidade sem precedentes para observar a produção inicial de elementos num sistema primordial.

Onde fica a PicII-503: a galáxia fóssil Pictor II

A PicII-503 encontra-se a cerca de 150 000 anos-luz de distância, numa pequena galáxia anã pálida que orbita a Via Láctea chamada Pictor II.

A Pictor II é considerada uma galáxia fóssil: as suas estrelas são todas extremamente antigas e, durante milhares de milhões de anos, a galáxia não formou novas estrelas nem incorporou outras por acreção. Por isso, é um local privilegiado para procurar objectos que se tenham formado a partir de gás enriquecido pelos vestígios das estrelas de População III.

Como a equipa encontrou uma estrela tão pobre em metais

Para identificar estrelas com abundâncias de metais excepcionalmente baixas, a equipa recorreu a dados do levantamento MAGIC (Mapeamento da Galáxia Antiga em CaHK). As observações foram recolhidas com a Câmara de Energia Escura, instalada no Telescópio Víctor M. Blanco de 4 m, da Fundação Nacional de Ciência dos Estados Unidos.

Num rastreio deste tipo, o objectivo é detectar candidatos promissores através de medições fotométricas e, depois, confirmar a “assinatura química” com espectroscopia: ao decompor a luz da estrela, é possível inferir a presença (ou ausência) de determinados elementos a partir das linhas espectrais.

Foi assim que a PicII-503 se destacou com clareza.

A assinatura química: ferro e cálcio quase inexistentes, mas carbono em excesso

A análise do espectro indicou números impressionantes:

• Ferro: cerca de 43 000 vezes menos do que o Sol
  
• Cálcio: aproximadamente 160 000 vezes menos do que o Sol
  
• Carbono: extremamente elevado - cerca de 3 000 vezes mais (em termos relativos face a esses elementos)

A escassez de metais pesados é tão extrema que, de acordo com os investigadores, a explicação que melhor encaixa no que se sabe sobre o Universo é que a PicII-503 seja uma estrela de População II formada a partir de gás enriquecido pelas primeiríssimas estrelas.

O que a discrepância sugere sobre a supernova original

O desequilíbrio químico - pouco ferro e cálcio, mas muito carbono - é uma pista importante. A interpretação proposta aponta para os detritos de uma supernova invulgarmente fraca, em que elementos mais pesados (como ferro e cálcio) terão “caído de volta” para o remanescente após a explosão, enquanto elementos mais leves (como o carbono) conseguiram escapar e contaminar o gás circundante.

Se, pelo contrário, a supernova tivesse sido mais energética, esses elementos teriam sido ejectados a velocidades tão elevadas que superariam a velocidade de escape de uma galáxia pequena como a Pictor II. Nesse cenário, o gás enriquecido poderia ter sido expulso do sistema - e a PicII-503 provavelmente nem teria tido condições para se formar ali.

Ligação à Via Láctea e ao seu halo: pistas sobre origens antigas

A descoberta também pode esclarecer a história de estrelas muito antigas que hoje habitam o halo da Via Láctea. Ao longo do tempo, a nossa galáxia engoliu diversas galáxias menores - e continua a fazê-lo. A própria Pictor II poderá, eventualmente, ter o mesmo destino.

Chiti destaca que o aspecto mais entusiasmante é ter sido observado um resultado directo da produção inicial de elementos numa galáxia primordial - uma observação fundamental. Além disso, esta assinatura química liga-se de forma limpa ao padrão visto nas estrelas do halo da Via Láctea com menor metalicidade, ajudando a unir a origem desses objectos à natureza enriquecida pelas primeiras estrelas.

Publicação do estudo

O trabalho científico foi publicado na revista Astronomia Nature.