Galáxia sem metais pode esconder as primeiras estrelas do universo.

Ao longo de milhares de milhões de anos, o Universo não ficou parado: tem-se transformado de forma contínua. Como o próprio Universo se está a expandir, a luz que nos chega de regiões muito distantes funciona como uma espécie de arquivo histórico, permitindo-nos observar etapas antigas dessa evolução - quase desde os seus primórdios.

Ainda assim, de tempos a tempos surge uma observação que não encaixa bem no que hoje acreditamos compreender sobre o funcionamento do cosmos.

É precisamente esse o caso descrito num novo artigo liderado pela doutoranda Sijia Cai, do Departamento de Astronomia da Universidade de Tsinghua, em colaboração com outros investigadores. A equipa identificou uma galáxia formada há cerca de 11 mil milhões de anos que aparenta ser praticamente “isenta de metais” - um indício tentador de que poderá albergar um conjunto raro de estrelas de primeira geração (Pop III).

Estrelas de População III (Pop III): porque são tão importantes

As estrelas de População III (Pop III) são consideradas a primeira vaga de estrelas a nascer na história do Universo. O traço essencial que as define é a sua quase total ausência de “metais” - termo que, em cosmologia, significa qualquer elemento mais pesado do que o hidrogénio e o hélio.

Isto acontece porque esses elementos pesados só podem ser fabricados no interior das próprias estrelas e, sobretudo, nos eventos violentos associados ao seu fim, como as supernovas. Por definição, a primeira geração de estrelas não poderia ter sido “contaminada” por metais: ainda não existiam estrelas anteriores que os produzissem.

Por esse motivo, cosmólogos têm procurado exemplos directos de estrelas Pop III há décadas - sem uma confirmação inequívoca até agora.

Onde se esperava encontrá-las: a Época da Reionização

A busca por Pop III costuma concentrar-se na Época da Reionização, um período que ocorreu até cerca de 1 mil milhões de anos após o Big Bang, quando o Universo era extremamente jovem e se pensa que as primeiras estrelas começaram a formar-se em grande número.

É por isso que a descoberta surpreende: a galáxia em causa parece surgir cerca de 2 mil milhões de anos depois dessa época. Nessa fase relativamente “tardia”, já se esperaria que muitas estrelas tivessem vivido e morrido, espalhando metais pelo meio interestelar e “semeando” nuvens de gás e poeira - o que tornaria difícil encontrar, tão tarde, gás verdadeiramente primordial capaz de formar estrelas quase sem metais.

A galáxia MPG-CR3 (CR3) e os telescópios usados

Com base em observações do Telescópio Espacial James Webb (JWST), do Telescópio Muito Grande (VLT) e do Telescópio Subaru, os autores identificaram uma galáxia a que chamaram MPG-CR3, ou simplesmente CR3.

O que tornou CR3 especial foi o seu espectro, isto é, a “impressão digital” da luz que revela a composição química do objecto. Entre galáxias da mesma era cósmica, a assinatura espectral de CR3 destacou-se por ser invulgarmente limpa:

• Linhas de hidrogénio e hélio muito nítidas;
• Quase ausência de sinais de metais, como o oxigénio, na assinatura espectral;
• Um limite superior para a metallicidade das suas estrelas equivalente a apenas 0,7% da metallicidade do Sol.

Nota de contexto: como a metallicidade se “vê” à distância

Em astronomia extragaláctica, a metallicidade é inferida a partir de linhas de emissão e absorção no espectro. Quando certos elementos estão presentes (por exemplo, oxigénio, carbono ou azoto), deixam marcas específicas na luz. A escassez dessas marcas, quando comparada com linhas fortes de hidrogénio e hélio, sugere um ambiente químico pouco enriquecido - compatível com formação estelar muito primitiva.

Uma galáxia muito jovem… observada muito tarde

Há outro pormenor que torna CR3 ainda mais intrigante: a galáxia aparenta ter apenas cerca de 2 milhões de anos (um valor muito baixo em termos de idade galáctica).

Conseguimos observá-la nesse estado tão jovem - apesar de ela ter sido formada há milhares de milhões de anos - devido ao efeito combinado da distância e da expansão do espaço-tempo, que faz com que a luz demore imenso tempo a chegar até nós. Em termos práticos, estamos a ver CR3 como ela era quando a sua luz foi emitida, não como ela é “hoje”.

Além disso, CR3 parece ser relativamente pobre em poeira e conter estrelas relativamente pequenas, o que é particularmente notável para uma galáxia tão antiga. Muitas galáxias durante o Meio-dia Cósmico exibem populações estelares muito mais massivas do que as típicas na Via Láctea.

A peça em falta: a linha de emissão de Hélio II (He II)

Apesar de todos estes sinais apelativos, há um elemento que normalmente é considerado crucial na identificação de possíveis estrelas Pop III e que não aparece nos dados de CR3: a linha de emissão de Hélio II (He II).

Segundo os autores, a ausência desta linha no espectro do VLT (que, em circunstâncias normais, poderia detectá-la) pode ter duas explicações plausíveis:

1. Interferência por outra emissão: existe uma linha de emissão forte de OH proveniente de outra fonte nessa região do espectro, o que pode mascarar ou anular o sinal de He II.
2. Sinal já enfraquecido: mesmo que CR3 tenha tido emissão de He II, essa assinatura pode ter diminuído rapidamente, porque a amplitude do sinal baixa de forma acentuada apenas alguns milhões de anos após o início da formação estelar.

Como pode existir um “bolso” primordial tão tarde?

A questão central mantém-se: se as estrelas de primeira geração eram supostas surgir milhares de milhões de anos antes, como é que CR3 conseguiu evitar a “poluição” por metais gerados por gerações estelares anteriores e formar, tão tarde, estrelas com composição quase pristina?

A hipótese preferida pelos autores está ligada ao isolamento espacial. Em termos simples, CR3 parece estar localizada num vazio relativo - uma zona com pouca matéria e pouca actividade estelar nas proximidades.

Em linguagem técnica, isto corresponde a uma região subdensa. A ideia é que, quando a nuvem de gás que deu origem a CR3 colapsou e iniciou a formação de estrelas, os metais produzidos noutras regiões ainda não tinham chegado até ali. Por estar afastada dos seus vizinhos, CR3 teria permanecido “imune” ao enriquecimento químico e poderia ter formado a sua própria população inicial de estrelas, de forma mais independente do que ocorria no resto do Universo.

Um ponto adicional: porque o ambiente importa tanto

A propagação de metais depende de processos como ventos estelares, explosões de supernovas e dinâmicas de gás no meio intergaláctico. Em regiões subdensas, a ligação com os “corredores” cósmicos de matéria pode ser fraca, atrasando significativamente a mistura de elementos pesados. Isso abre uma janela - rara, mas teoricamente possível - para episódios tardios de formação estelar com baixa metallicidade.

O que falta para confirmar a primeira galáxia Pop III?

A equipa sublinha que ainda são necessários mais dados para confirmar que CR3 é, de facto, a primeira galáxia Pop III alguma vez identificada. No entanto, se esta interpretação for validada, o impacto seria enorme: ter um objecto com estas características mais próximo do que se esperava facilitaria muito o estudo detalhado de estrelas Pop III e das condições físicas do Universo primordial.

Se observações futuras conseguirem confirmar a linha de Hélio II (He II) - ou apresentar uma explicação irrefutável para a sua ausência - é provável que cosmólogos dediquem muito tempo a esta galáxia que, ao mesmo tempo, é muito jovem no momento em que a observamos e extraordinariamente antiga no calendário do Universo.

Este artigo foi originalmente publicado pelo Universo Hoje. Leia o artigo original.