Observação Gemini de quasar distante revela evidências de estrela de primeira geração que morreu na explosão de ‘super-supernova’ – Strong The One

As primeiras estrelas provavelmente se formaram quando o Universo tinha apenas 100 milhões de anos, menos de um por cento de sua idade atual. Essas primeiras estrelas – conhecidas como População III – eram tão titânicamente massivas que, quando terminaram suas vidas como supernovas, se separaram, semeando o espaço interestelar com uma mistura distinta de elementos pesados. Apesar de décadas de busca diligente por astrônomos, no entanto, não houve evidência direta dessas estrelas primordiais, até agora.

Ao analisar um dos quasares conhecidos mais distantes [1] usando o telescópio Gemini North, um dos dois telescópios idênticos que compõem o Observatório Internacional Gemini, operado pelo NOIRLab da NSF, os astrônomos agora pensam ter identificado o material remanescente da explosão de uma estrela de primeira geração. Usando um método inovador para deduzir os elementos químicos contidos nas nuvens ao redor do quasar, eles notaram uma composição altamente incomum – o material continha mais de 10 vezes mais ferro do que magnésio em comparação com a proporção desses elementos encontrados em nosso Sol.

Os cientistas acreditam que a explicação mais provável para essa característica marcante é que o material foi deixado para trás por uma estrela de primeira geração que explodiu como uma supernova de instabilidade de pares. Essas versões notavelmente poderosas de explosões de supernovas nunca foram testemunhadas, mas teoricamente são o fim da vida de estrelas gigantes com massas entre 150 e 250 vezes a do Sol.

Explosões de supernovas de instabilidade de pares acontecem quando fótons no centro de uma estrela se transformam espontaneamente em elétrons e pósitrons – a antimatéria de carga positiva equivalente ao elétron. Essa conversão reduz a pressão de radiação dentro da estrela, permitindo que a gravidade a supere e levando ao colapso e subsequente explosão.

Ao contrário de outras supernovas, esses eventos dramáticos não deixam vestígios estelares, como uma estrela de nêutrons ou um buraco negro, e, em vez disso, ejetam todo o seu material para o ambiente. Existem apenas duas maneiras de encontrar evidências deles. A primeira é capturar uma supernova de instabilidade de pares enquanto ela acontece, o que é um acontecimento altamente improvável. A outra maneira é identificar sua assinatura química a partir do material que eles ejetam no espaço interestelar.

Para sua pesquisa, os astrônomos estudaram os resultados de uma observação anterior feita pelo telescópio Gemini North de 8,1 metros usando o Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS). Um espectrógrafo divide a luz emitida por objetos celestes em seus comprimentos de onda constituintes, que carregam informações sobre quais elementos os objetos contêm. Gemini é um dos poucos telescópios do seu tamanho com equipamento adequado para realizar tais observações.

Deduzir as quantidades de cada elemento presente, no entanto, é uma tarefa complicada porque o brilho de uma linha em um espectro depende de muitos outros fatores além da abundância do elemento.

Dois coautores da análise, Yuzuru Yoshii e Hiroaki Sameshima, da Universidade de Tóquio, abordaram esse problema desenvolvendo um método de usar a intensidade dos comprimentos de onda em um espectro quasar para estimar a abundância dos elementos ali presentes. Foi usando esse método para analisar o espectro do quasar que eles e seus colegas descobriram a razão visivelmente baixa de magnésio para ferro.

“Era óbvio para mim que a supernova candidata a isso seria uma supernova de instabilidade de pares de uma estrela da População III, na qual a estrela inteira explode sem deixar nenhum resquício para trás.“disse Yoshii.”Fiquei encantado e um tanto surpreso ao descobrir que uma supernova de instabilidade de pares de uma estrela com massa cerca de 300 vezes maior que a do Sol fornece uma proporção de magnésio para ferro que concorda com o baixo valor que derivamos para o quasar.“

Pesquisas por evidências químicas de uma geração anterior de estrelas de alta massa da População III foram realizadas antes entre as estrelas do halo da Via Láctea e pelo menos uma tentativa de identificação foi apresentada em 2014. Yoshii e seus colegas, no entanto, acham que a O novo resultado fornece a assinatura mais clara de uma supernova de instabilidade de pares com base na proporção de abundância de magnésio-ferro extremamente baixa apresentada neste quasar.

Se isso é de fato evidência de uma das primeiras estrelas e dos restos de uma supernova de instabilidade de pares, essa descoberta ajudará a preencher nossa imagem de como a matéria no Universo evoluiu para o que é hoje, incluindo nós. Para testar essa interpretação de forma mais completa, muitas outras observações são necessárias para ver se outros objetos têm características semelhantes.

Mas também podemos encontrar as assinaturas químicas mais perto de casa. Embora todas as estrelas de alta massa da População III tenham morrido há muito tempo, as impressões digitais químicas que elas deixam em seu material ejetado podem durar muito mais tempo e ainda podem perdurar hoje. Isso significa que os astrônomos podem encontrar as assinaturas de explosões de supernovas de instabilidade de pares de estrelas distantes ainda impressas em objetos em nosso Universo local.

“Agora sabemos o que procurar; temos um caminho”, disse o coautor Timothy Beers, astrônomo da Universidade de Notre Dame. “Se isso aconteceu localmente no Universo primitivo, o que deveria ter acontecido, então esperaríamos encontrar evidências disso”.

Notas

[1] A luz deste quasar viaja há 13,1 bilhões de anos, o que significa que os astrônomos estão observando este objeto como ele apareceu quando o Universo tinha apenas 700 milhões de anos. Isso corresponde a um redshift de 7,54.