James Webb encontra a primeira evidência direta das primeiras estrelas do Universo

Uma das principais missões científicas do telescópio espacial James Webb (JWST) é investigar o Universo primitivo. Principalmente, o momento quando as primeiras estrelas e galáxias surgiram em uma época chamada de época da reionização. O avanço do JWST se dá principalmente por conseguir observar em infravermelho e analisar a luz de objetos distantes, cuja luz foi emitida poucos centenas de milhões de anos após o Big Bang.

As primeiras estrelas são conhecidas como estrelas de População III e formaram-se a partir de gás primordial composto por hidrogênio e hélio. Por causa dessa composição, os processos de resfriamento eram menos eficientes, então as primeiras estrelas eram extremamente massivas. Elas viviam pouco e terminavam suas vidas em explosões ou colapsos energéticos. No entanto, até agora nunca haviam sido observadas diretamente, apenas inferidas por modelos teóricos e simulações cosmológicas.

Novos resultados baseados em dados do James Webb trouxeram a primeira evidência química direta da existência dessas estrelas primordiais. Os astrônomos identificaram assinaturas espectrais compatíveis com ambientes pobres em metais e fortes emissões associadas a estrelas muito quentes. As observações são difíceis de explicar sem a presença de População III e fornecem um primeiro elo entre teoria e dados observacionais.

População III

O Sol é parte de uma população de estrelas chamada de População I que são estrelas ricas em metais. No passado, existiam estrelas de População III que seriam formadas apenas por hidrogênio e hélio. Essas seriam as primeiras estrelas formadas no Universo, surgindo poucas centenas de milhões de anos após o Big Bang. Elas eram estrelas enormes, muito massivas e com temperaturas altas o suficiente para a emissão de ultravioleta ionizante.

Essas estrelas tiveram vidas curtas e consumiram combustível nuclear em escalas de poucos milhões de anos. Seus colapsos finais, provavelmente como supernovas ou colapsos diretos em buracos negros, foram responsáveis pelo primeiro enriquecimento químico do meio interestelar. Esse enriquecimento permitiu a formação das gerações seguintes de estrelas.

Galáxia GS 3073

As estrelas de população III nunca foram observadas diretamente e era uma das missões do JWST encontrar evidências delas. Recentemente, uma análise dos dados do JWST trouxe a evidência mais direta até agora da existência dessas estrelas. Pesquisadores encontraram evidências químicas de estrelas com massas entre 1.000 e 10.000 vezes a do Sol.

A evidência veio da análise das assinaturas químicas da galáxia GS 3073 e o cálculo da razão entre nitrogênio e oxigênio. Segundo os pesquisadores, essa razão é extremamente alta para algum objeto daquela época que não fosse estrelas gigantes. O padrão químico é consistente com a nucleossíntese esperada em estrelas supermassivas. Isso confirmaria a existência dessas estrelas que deixaram uma assinatura no gás da galáxia.

Explicando a origem dos buracos negros supermassivos

Além de responder a pergunta sobre a origem das primeiras estrelas do Universo, essa descoberta também ajuda a responder a pergunta sobre a origem dos buracos negros supermassivos. A ideia é que essas estrelas não terminavam suas vidas como supernovas, elas colapsavam diretamente formando buracos negros massivos. Esses objetos seriam capazes de crescer rapidamente por acreção e fusões e funcionariam como sementes dos buracos negros supermassivos que conhecemos hoje.

A própria galáxia estudada, GS 3073, abriga um buraco negro ativo em seu centro, que pode ser um remanescente de uma dessas estrelas supermassivas. Se essa conexão for confirmada, ela resolve as duas questões de uma só vez. O estudo também concluiu que essa assinatura química só surge em um intervalo específico de massas, entre 1.000 e 10.000 massas solares que pode indicar uma faixa para futuros estudos.

Por que nitrogênio?

A evidência direta veio de uma medição das componentes químicas da galáxia, mais especificamente, a razão entre nitrogênio e oxigênio. O oxigênio e nitrogênio são elementos importantes porque mostram como a estrela queimou combustível durante sua vida relativamente curta. Esse nível de enriquecimento em nitrogênio não pode ser explicado por nenhum tipo conhecido de processo astrofísico.

Em modelos astrofísicos, o nitrogênio é produzido de forma secundária e é incompatível com estrelas comuns. Estrelas menos massivas não produzem nitrogênio suficiente, enquanto estrelas ainda mais massivas seguem canais evolutivos diferentes, que não deixam essa assinatura química. Essa faixa de massa encontrada corresponde exatamente às previsões para estrelas primordiais supermassivas, tornando o excesso de nitrogênio uma impressão digital única desse tipo de objeto.

Referência da notícia

Nandal et al. 2025 1000-10,000 M⊙ Primordial Stars Created the Nitrogen Excess in GS 3073 at z= 5.55 The Astrophysical Journal Letters