Ferro e magnésio junto a um quasar: possível vestígio de uma supernova primordial

Uma explosão estelar ocorrida no universo primordial pode ter deixado um vestígio químico em torno de um quasar distante. A pista não é uma imagem da estrela ou da sua explosão, mas uma proporção entre dois elementos medida na luz do gás que rodeia o quasar ULAS J1342+0928. Numa publicação de divulgação científica datada de 28 de setembro de 2022, o NOIRLab explicou por que motivo esta composição levou a propor uma possível supernova de instabilidade de pares, um tipo de explosão associado a estrelas muito massivas da primeira geração cósmica.

A interpretação relaciona uma observação espectral com modelos sobre a forma como as estrelas morrem e produzem elementos. Mas o próprio relato do NOIRLab apresenta-a como uma possibilidade que precisa de mais observações para ser verificada.

Um quasar do universo primordial

Um quasar é um objeto muito distante cujo ambiente pode ser estudado através da luz que recebemos. O objeto analisado, ULAS J1342+0928, está entre os quasares conhecidos mais antigos e distantes. Segundo o NOIRLab, a luz que observamos foi emitida há cerca de 13,1 mil milhões de anos, menos de 690 milhões de anos após o Big Bang.

Neste contexto, procurar sinais das primeiras estrelas é uma forma de investigar como surgiram os elementos químicos. Os astrónomos chamam estrelas de População III aos astros dessa primeira geração. A fonte explica que o nome distingue populações estelares ordenadas em sentido inverso no tempo: a População III corresponde às estrelas mais antigas.

A análise baseou-se num espectro obtido com o telescópio Gemini North, no Havai, usando o seu espectrógrafo infravermelho GNIRS. Um espectro separa a luz nos comprimentos de onda que a compõem. Algumas características desses comprimentos de onda permitem reconhecer que elementos estão presentes no material observado. Estimar a quantidade de cada elemento é mais complexo: o brilho de um sinal também depende de outros fatores, e não apenas da abundância do elemento que o produz.

A pista química: ferro e magnésio

Para interpretar os sinais, a equipa aplicou um método desenvolvido por Yuzuru Yoshii e Hiroaki Sameshima em 2017 para converter o brilho das características espectrais em estimativas de abundância. Ao aplicá-lo ao espectro do quasar, encontrou uma proporção de ferro em relação ao magnésio cerca de dez vezes superior à proporção solar. Por outras palavras, a quantidade relativa de magnésio em relação ao ferro era invulgarmente baixa.

A comparação é importante porque, segundo a explicação divulgada pelo NOIRLab, os modelos teóricos de uma supernova de instabilidade de pares preveem uma baixa proporção de magnésio em relação ao ferro. Por isso, a composição do gás em torno do quasar era sugestiva: podia preservar material enriquecido por uma explosão desse tipo.

A proposta não se baseou apenas na proporção química. O quasar formou-se muito cedo na história do universo, quando teria havido menos tempo para o material de diferentes explosões se misturar. A combinação dessa antiguidade com o sinal químico levou à hipótese de que o gás circundante poderia conter vestígios da explosão de uma estrela de População III.

O que significa uma supernova de instabilidade de pares

Segundo o NOIRLab, este tipo de supernova poderá ser o fim natural de estrelas com massas entre 150 e 300 vezes a massa do Sol. O mecanismo descrito começa no núcleo estelar: os fotões transformam-se em pares de eletrões e positrões, partículas de matéria e antimatéria. Essa transformação reduz a energia que sustenta a estrela contra a sua própria gravidade. A gravidade pode então prevalecer, provocar o colapso e desencadear a explosão.

A equipa comparou o sinal do quasar com modelos destas explosões. Yoshii observou que uma supernova de uma estrela com cerca de 300 massas solares produzia uma proporção de magnésio e ferro compatível com o valor baixo calculado para o quasar. Essa concordância apoiava a interpretação, mas não identificava, por si só, uma explosão observada diretamente: a evidência descrita é a composição do material que rodeia o quasar.

A hipótese também se relaciona com uma questão mais ampla: como se formaram os elementos que hoje se encontram nas estrelas e noutros objetos cósmicos. Se a explosão de uma estrela primitiva enriqueceu o gás próximo, a sua composição poderá preservar informações sobre uma fase muito inicial da evolução estelar. Neste caso, essa possibilidade é inferida a partir das abundâncias e do contexto antigo do quasar.

Uma interpretação que ainda precisa de ser testada

Yoshii e os seus colaboradores consideraram outras explicações e concluíram que uma supernova de instabilidade de pares de uma estrela de População III era a interpretação mais provável. No entanto, o texto do NOIRLab não apresenta essa leitura como uma confirmação definitiva: os autores indicaram que são necessárias muitas mais observações semelhantes para verificar o resultado com certeza.

A cautela também é importante devido à forma como a pista é obtida. As abundâncias são estimadas a partir do brilho das características espectrais, e esse brilho depende de mais fatores do que a quantidade de cada elemento. Assim, a cadeia de raciocínio parte de um sinal na luz, passa por uma proporção química e chega a uma comparação com modelos de explosões estelares. Cada etapa sustenta uma interpretação, não uma observação direta da estrela que teria explodido.

O resultado destacado pelo NOIRLab é, portanto, um possível vestígio químico de uma supernova primordial no ambiente de ULAS J1342+0928. O seu interesse está em oferecer uma forma de procurar restos de estrelas de primeira geração em objetos muito antigos. Segundo os investigadores citados pela fonte, a confirmação depende da obtenção de mais observações comparáveis.

Fonte da informação: NOIRLab, “A glimpse of the first stars that lit up the Universe?”, 28 de setembro de 2022.