O que aconteceu com as primeiras estrelas? Astrofísicos encontram a resposta em simulações

As primeiras estrelas do Universo são chamadas de estrelas de População III. Esses objetos seriam formados apenas por hidrogênio e hélio alguns milhões de anos após Big Bang. A hipótese é que essas estrelas teriam sido muito mais massivas que as estrelas atuais e queimavam o combustível rapidamente. Por causa disso, a ideia é que elas teriam tempo de vida muito curto e morreriam muito antes do que conseguimos observar.

Mesmo elas sendo previstas dentro dos modelos cosmológicos até hoje não há evidências diretas da existência delas. Nem mesmo evidências dos restos das supernovas, que seriam os momentos finais dessas estrelas, foram encontradas. A busca por assinaturas químicas que pudessem traçar o destino dessas estrelas ainda continua com o uso de telescópios e observatórios cada vez mais tecnológicos como o James Webb e o ALMA.

Um novo artigo propôs explicar o motivo dessa falta de observação das primeiras estrelas ao realizar simulações que recriam a formação dessas estrelas. A ideia foi usar equações que descrevem o modelo cosmológico para compreender como essas estrelas surgiram e como desapareceram. O artigo também discute o papel da matéria escura na formação das galáxias que conseguimos observar hoje com os dados do James Webb.

Mistério das primeiras estrelas

Quando o Universo se formou através do Big Bang e os primeiros elementos surgiram, quase todos eram elementos leves, mais especificamente hidrogênio e hélio. Os elementos mais pesados surgiram mais tarde na história do Universo. Por causa disso, as primeiras estrelas seriam formadas apenas desses dois elementos leves e, a partir daí, formariam elementos mais pesados através do processo de fusão nuclear.

Os primeiros modelos que explicam a existência dessas estrelas dizem que essas estrelas seriam supermassivas e teriam um tempo de vida muito curto. Elas terminaram suas vidas em supernovas que expeliram elementos mais pesados no meio interestelar. No entanto, até hoje, nenhuma evidência dessas supernovas ou de assinaturas químicas foram encontradas.

Era das Trevas

As primeiras estrelas têm um papel importante na história do Universo. O mais conhecido é que elas seriam responsáveis pelas sementes de buracos negros supermassivos. Mas outro ponto importante é que elas explicariam parte do processo de reionização do Universo. Esse processo aconteceu quando o gás neutro que estava presente por milhões de anos foi reionizado e permitiu que a luz conseguisse passar.

Por causa do gás neutro, não havia nenhuma fonte de luz e os fótons que existiam dos primeiros momentos do Universo estavam presos. Esse período do Universo é conhecido como a Era das Trevas. O telescópio James Webb busca detectar a luz desses primeiros momentos no final da Era das Trevas, onde é esperado que as primeiras estrelas, primeiras galáxias e primeiros quasares se formaram.

Simulações

Para explicar essa falta de observação, pesquisadores usaram simulações da formação e evolução de uma nuvem nesse Universo jovem. A nuvem simulada foi capaz de gerar estrelas dentro de uma região com 10 milhões de massas solares. Este trabalhou ganhou destaque por possuir uma resolução maior que trabalhos antigos e usar condições iniciais da simulação cosmológica de grande escala chamada IllustrisTNG.

A IllustrisTNG é uma simulação muito importante e famosa dentro da Astronomia porque consegue resolver modelos cosmológicos e, por isso, é usada para estudar a evolução do Universo. A resolução nesse estudo foi aumentada em cerca de 100.000 vezes usando particle splitting. Com isso foi possível observar a dinâmica do gás com precisão e resolver a turbulência causada pelo colapso gravitacional durante a formação das primeiras estruturas.

O que aconteceu com as primeiras estrelas?

Um dos resultados mais importantes dessas simulações foi mostrar que as nuvens de gás primordial podiam se fragmentar. O resultado disso é que as estrelas de População III acabavam sendo mais numerosas e menos massivas do que se pensava até então. Isso pode explicar porque não conseguimos observar evidências das supernovas. Se essas estrelas não eram tão massivas, muitas não explodiram em supernovas e não deixaram marcas químicas de metais pesados.

Os resultados indicam que a formação das primeiras estruturas gerou turbulência supersônica e isso influenciou o tamanho e a massa das estrelas. Esse processo acabou limitando a massa máxima que as estrelas conseguiam chegar. Isso sugere que os modelos que previam estrelas entre 80 e 260 massas solares precisam de revisão e explica o motivo da falta de observação até hoje.

Referência da notícia

Chen et al. 2025 Formation of Supersonic Turbulence in the Primordial Star-forming Cloud The Astrophysical Journal Letters