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As estrelas brilham intensamente na escuridão do espaço graças à fusão, átomos se fundindo e liberando energia. Mas e se houver outra maneira de alimentar uma estrela?
Uma equipe de três astrofísicos – Katherine Freese da Universidade do Texas em Austin, em colaboração com Cosmin Ilie e Jillian Paulin ’23 da Universidade Colgate – analisaram imagens do Telescópio Espacial James Webb (JWST) e encontraram três objetos brilhantes que podem ser “estrelas escuras”, objetos teóricos muito maiores e mais brilhantes que o nosso sol, alimentados por partículas de matéria escura aniquiladoras. Se confirmadas, as estrelas escuras podem revelar a natureza da matéria escura, um dos problemas não resolvidos mais profundos de toda a física.
“Descobrir um novo tipo de estrela é bastante interessante por si só, mas descobrir que é a matéria escura que está alimentando isso – isso seria enorme”, disse Freese, diretor do Weinberg Institute for Theoretical Physics e Jeff and Gail Kodosky Endowed Chair em Física na UT Austin.
Embora a matéria escura represente cerca de 25% do universo, sua natureza iludiu os cientistas. Os cientistas acreditam que ele consiste em um novo tipo de partícula elementar, e a caçada para detectar tais partículas continua. Entre os principais candidatos estão as Partículas Massivas de Interação Fraca. Quando colidem, essas partículas se aniquilam, depositando calor em nuvens de hidrogênio em colapso e as convertendo em estrelas escuras brilhantes. A identificação de estrelas escuras supermassivas abriria a possibilidade de aprender sobre a matéria escura com base em suas propriedades observadas.
A pesquisa está publicada no Anais da Academia Nacional de Ciências.
Observações de acompanhamento do JWST das propriedades espectroscópicas dos objetos – incluindo quedas ou excesso de intensidade de luz em certas bandas de frequência – podem ajudar a confirmar se esses objetos candidatos são realmente estrelas escuras.
Confirmar a existência de estrelas escuras também pode ajudar a resolver um problema criado pelo JWST: parece haver muitas galáxias grandes muito cedo no universo para caber nas previsões do modelo padrão de cosmologia.
“É mais provável que algo dentro do modelo padrão precise de ajuste, porque propor algo totalmente novo, como fizemos, é sempre menos provável”, disse Freese. “Mas se alguns desses objetos que se parecem com galáxias primitivas são na verdade estrelas escuras, as simulações de formação de galáxias concordam melhor com as observações”.
As três estrelas escuras candidatas (JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 e JADES-GS-z11-0) foram originalmente identificadas como galáxias em dezembro de 2022 pelo JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Usando análise espectroscópica, a equipe JADES confirmou que os objetos foram observados em tempos que variam de cerca de 320 milhões a 400 milhões de anos após o Big Bang, tornando-os alguns dos primeiros objetos já vistos.
“Quando olhamos para os dados de James Webb, existem duas possibilidades concorrentes para esses objetos”, disse Freese. “Uma é que são galáxias contendo milhões de estrelas comuns de população III. A outra é que são estrelas escuras. E acredite ou não, uma estrela escura tem luz suficiente para competir com uma galáxia inteira de estrelas.”
As estrelas escuras poderiam, teoricamente, crescer até vários milhões de vezes a massa do nosso sol e até 10 bilhões de vezes mais brilhantes que o sol.
“Nós previmos em 2012 que estrelas escuras supermassivas poderiam ser observadas com o JWST”, disse Ilie, professor assistente de física e astronomia na Universidade Colgate. “Como mostrado em nosso recentemente publicado PNAS artigo, já encontramos três candidatos a estrelas escuras supermassivas ao analisar os dados JWST para os quatro objetos JADES de alto redshift confirmados espectroscopicamente por Curtis-Lake et al, e estou confiante de que em breve identificaremos muitos mais.”
A ideia das estrelas negras surgiu em uma série de conversas entre Freese e Doug Spolyar, na época um estudante de pós-graduação na Universidade da Califórnia, em Santa Cruz. Eles se perguntaram: o que a matéria escura faz com as primeiras estrelas a se formar no universo? Então eles procuraram Paolo Gondolo, um astrofísico da Universidade de Utah, que se juntou à equipe. Após vários anos de desenvolvimento, eles publicaram seu primeiro artigo sobre essa teoria na revista Cartas de revisão física Em 2008.
Juntos, Freese, Spolyar e Gondolo desenvolveram um modelo mais ou menos assim: nos centros das primeiras protogaláxias, haveria aglomerados muito densos de matéria escura, juntamente com nuvens de hidrogênio e gás hélio. À medida que o gás esfriava, ele entrava em colapso e puxava a matéria escura junto com ele. À medida que a densidade aumentava, as partículas de matéria escura se aniquilavam cada vez mais, adicionando mais e mais calor, o que impediria o colapso do gás até um núcleo denso o suficiente para suportar a fusão como em uma estrela comum. Em vez disso, continuaria a acumular mais gás e matéria escura, tornando-se grande, inchado e muito mais brilhante que as estrelas comuns. Ao contrário das estrelas comuns, a fonte de energia estaria espalhada uniformemente, em vez de concentrada no núcleo. Com matéria escura suficiente, as estrelas escuras podem crescer até vários milhões de vezes a massa do nosso sol e até 10 bilhões de vezes mais brilhantes que o sol.
O financiamento para esta pesquisa foi fornecido pelo programa de Física de Altas Energias do Departamento de Energia dos EUA e pelo Vetenskapsradet (Conselho de Pesquisa Sueco) no Centro Oskar Klein de Física de Cosmopartículas da Universidade de Estocolmo.
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