As primeiras estrelas / The first stars

 

Cientistas fazem uma simulação do nascimento das primeiras estrelas do universo. este diagrama mostra um momento da simulação. O cubo da direita é a imagem aumentada de uma região do centro do quadrado à esquerda. NASA/JPL-Caltech/Kyoto Univ.

As primeiríssimas estrelas do universo não eram os gigantes que cientistas supunham ser, apontam novas simulações feitas no Laboratório de Propulsão a Jato  (JPL) da NASA, em Pasadena, Califórnia. 



Astrônomos "criaram" estrelas com seus computadores, imitando as condições do universo primordial. As simulações duraram semanas. Quando as elucubrações dos cientistas finalmente terminaram, eles ficaram pasmos com os resultados - as estrelas criadas eram muito menores do que o esperado. 


Até agora, acreditava-se que as primeiras estrelas haviam sido as maiores de todas, com massa centenas de vezes maior que a do Sol. A nova pesquisa mostra que elas tinham massa apenas dezenas de vezes maior que a do Sol; por exemplo, as simulações produziram uma estrela que tinha somente 43 vezes mais massa que o Sol.


"As primeiras estrelas eram densas, sim, mas não tanto quanto se supunha," disse Takashi Hosokawa, astrônomo do JPL e principal autor do novo estudo, que estará disponível online sexta-feira, 11 de novembro na revista Science. "Nossas simulações revelam que o crescimento dessas estrelas terminou mais cedo do que o esperado, resultando em tamanhos finais menores."


O universo primitivo era composto apenas de finas nuvens átomos de hidrogênio e hélio. Alguns milhões de anos após seu nascimento, as primeiras estrelas começaram o processo de combustão. Mas ainda é um mistério como essas primeiras estrelas se formaram. 



Astrônomos sabem que todas as estrelas se formam a partir de nuvens de gás em colapso. A gravidade originada por uma "semente" que cresce no centro da nuvem atrai cada vez mais matéria. No caso de estrelas ditas normais, como o Sol, esse processo é auxiliado por elementos mais pesados, como o carbono, que ajuda a manter o frio o suficiente o gás caindo na estrela em formação, para que possa colapsar. Se a nuvem esfriar demais, o gás se expande e escapa. 



Mas, nos primórdios do universo, as estrelas não haviam ainda produzido elementos pesados. As primeiras de todas as estrelas tiveram de se formar apenas a partir de hidrogênio e hélio. Cientistas defendiam antes a tese de que estrelas assim necessitariam de mais massa para se formar, a fim de compensar a falta de elementos pesados e seu poder de refrigeração. 

Anteriormente, acreditava-se que as estrelas poderiam ter massa até mil vezes maior que a do Sol. Posteriormente, os modelos foram aprimorados e passou-se a estimar que as primeiras estrelas teriam massa centenas de vezes maior que a do Sol.

"Essas estrelas vão decrescendo de tamanho com o tempo," disse Takashi. "Agora, acreditamos que sejam ainda menos massivas, apenas dezenas de vezes a massa do Sol."



As simulações da equipe revelam que a matéria nas vizinhanças de estrelas em formação atinge temperaturas mais altas do que se supunha, até 50.000 Kelvin, ou 8,5 vezes a temperatura da superfície do Sol. O gás a essa temperatura se expande e escapa à gravidade da estrela em formação, ao invés de cair nela. Isso quer dizer que a estrela para de crescer mais cedo do que o previsto, atingindo um tamanho final menor. 





Os resultados são elucidam também um enigma a respeito das primeiras explosões estelares, chamadas supernovas. Quando estrelas de grande massa explodem, no final de suas vidas, expelem para o espaço cinzas compostas de elementos mais pesados. 

Se as primeiras estrelas fossem os monstros que se imaginava, teriam deixado um rastro específico desses elementos na matéria da geração de estrelas seguinte. Mas, por mais que  astrônomos procurassem esses vestígios em estrelas mais antigas, nunca os encontraram. A resposta, ao que parece, é que eles simplesmente não estão presentes nelas. Como as primeiras estrelas não eram tão massivas quanto se pensava anteriormente, elas devem ter explodido de maneira semelhante aos tipos de explosões estelares que se vê atualmente.

Scientists are simulating how the very first stars in our universe were born. This diagram shows a still from one such simulation. The cube on the right is a blown up region at the center of the box on the left. Image credit: NASA/JPL-Caltech/Kyoto Univ.

The very first stars in our universe were not the behemoths scientists had once thought, according to new simulations performed at NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif.

Astronomers "grew" stars in their computers, mimicking the conditions of our primordial universe. The simulations took weeks. When the scientists' concoctions were finally done, they were shocked by the results -- the full-grown stars were much smaller than expected.

Until now, it was widely believed that the first stars were the biggest of all, with masses hundreds of times that of our sun. The new research shows they are only tens of times the mass of sun; for example, the simulations produced one star that was as little as 43 solar masses.

"The first stars were definitely massive, but not to the extreme we thought before," said Takashi Hosokawa, an astronomer at JPL and lead author of the new study, appearing online Friday, Nov. 11 in the journal Science. "Our simulations reveal that the growth of these stars is stunted earlier than expected, resulting in smaller final sizes."

The early universe consisted of nothing more than thin clouds of hydrogen and helium atoms. A few hundred million years after its birth, the first stars began to ignite. How these first stars formed is still a mystery.

Astronomers know that all stars form out of collapsing clouds of gas. Gravity from a growing "seed" at the center of the cloud attracts more and more matter. For so-called normal stars like our sun, this process is aided by heavier elements such as carbon, which help to keep the gas falling onto the budding star cool enough to collapse. If the cloud gets too hot, the gas expands and escapes.

But, in the early universe, stars hadn't yet produced heavy elements. The very first stars had to form out of nothing but hydrogen and helium. Scientists had theorized that such stars would require even more mass to form, to compensate for the lack of heavy elements and their cooling power. At first, it was thought the stars might be as big as one thousand times the mass of our sun. Later, the models were refined and the first stars were estimated to be hundreds of solar masses.

"These stars keep getting smaller and smaller over time," said Takashi. "Now we think they are even less massive, only tens of solar masses."

The team's simulations reveal that matter in the vicinity of the forming stars heats up to higher temperatures than previously believed, as high as 50,000 Kelvin, or 8.5 times the surface temperature of the sun. Gas this hot expands and escapes the gravity of the developing star, instead of falling back down onto it. This means the stars stop growing earlier than predicted, reaching smaller final sizes.

"This is definitely going to surprise some folks," said Harold Yorke, an astronomer at JPL and co-author of the study. "It was standard knowledge until now that the first stars had to be extremely massive."

The results also answer an enigma regarding the first stellar explosions, called supernovae. When massive stars blow up at the end of their lives, they spew ashes made of heavier elements into space. If the very first stars were the monsters once thought, they should have left a specific pattern of these elements imprinted on the material of the following generation of stars. But, as much as astronomers searched the oldest stars for this signature, they couldn't find it. The answer, it seems, is that it simply is not there. Because the first stars weren't as massive as previously thought, they would have blown up in a manner akin to the types of stellar explosions that we see today.