Cientistas podem ter observado Estrelas Escuras com o James Webb: Estrelas energizadas com Matéria Escura!

Figura 1. Esses três objetos identificados pelo James Webb podem ser estrelas escuras.

Tradicionalmente, estrelas são sustentadas ao longo da sua existência por fusão nuclear (1), ou seja, quando núcleos atômicos são fundidos e grande energia é liberada - energia essa responsável também por impedir um colapso gravitacional estelar. Porém, cientistas também teorizam que existe uma possível fonte alternativa de energia que pode sustentar o corpo estelar: matéria escura (2). Nesse sentido, em um estudo publicado esta semana no periódico PNAS (Ref.1), pesquisadores analisaram os dados fornecidos pelo Telescópio Espacial James Webb (3) e reportaram a possível e inédita detecção de "Estrelas Escuras", objetos muito maiores e brilhantes do que o nosso Sol e alimentados por aniquilação de partículas de matéria escura. Caso a detecção seja confirmada, estrelas escuras podem revelar a natureza da misteriosa matéria escura, a qual responde por cerca de 25% da matéria-energia do Universo mas é ainda pouco compreendida.

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"Descobrir um novo tipo de estrela é muito interessante por si só, mas descobrir que matéria escura está sustentando essa estrela... isso seria magnífico," disse Katherine Freese, astrofísica na Universidade do Texas, diretora do Instituto Weinberg para Física Teórica em entrevista e uma das autoras principais do estudo (Ref.2).

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Um mini-halo é uma região difusa, de baixa luminosidade e emissora de rádio que cerca um agrupamento de galáxias (4). São tipicamente detectados via emissões de raios-X e de rádio, resultantes de radiação produzida por elétrons no gás ionizado e aparentemente oriundos da atividade de supermassivos buracos negros no núcleo galáctico. Dentro dos mini-halos primordiais (no início do Universo), à medida que as nuvens moleculares de hidrogênio colapsam no processo de formação estelar, temos teorizado uma grande reserva de matéria escura nos centros dessas estruturas. Se as partículas de matéria escura são suas próprias antipartículas (5), então a aniquilação dessas partículas quando se encontram fornece uma fonte de calor que impede o colapso das nuvens e produz um tipo diferente de estrela, uma estrela escura, em equilíbrio térmico e hidrostático.

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(4) Não confundir o termo com halo galáctico, este o qual é a região do espaço ao redor das galáxias espirais, incluindo nossa galáxia, a Via Láctea. Cerca de 1% da massa estelar da galáxia reside no seu halo, caracterizado por baixa luminosidade e formato esférico.

(5) Para mais informações: O que é a antimatéria?

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As estrelas escuras são constituídas quase inteiramente de matéria bariônica (ou normal) - hidrogênio e hélio, no caso - mas são sustentadas por matéria escura em contínua aniquilação, a qual responderia por apenas <0,1% da massa total dessas estrelas. No centro de protogaláxias primordiais associadas aos mini-halos, teríamos massas muito densas de matéria escura, junto com nuvens de hidrogênio e hélio. À medida que o gás era resfriado, a nuvem começaria a colapsar e puxar matéria escura ao longo do caminho. Junto com o aumento de densidade no processo, partículas de matéria escura ficariam cada vez mais próximas entre si e começariam a se aniquilar, adicionando mais e mais calor, prevenindo que o gás colapsasse de vez ou esmagasse o núcleo a ponto de iniciar significativos processos de fusão nuclear entre os átomos de hidrogênio - e com a fonte de aquecimento espalhada em todo o volume estelar ao invés de concentrada no núcleo. Essas características - somadas à superfície relativamente fria desses corpos (~10000°C) - fariam a estrela escura acumular continuamente mais gás e matéria escura, se tornando muito grande, inchada e muito mais brilhante do que estrelas ordinárias.

Teoricamente, uma estrela escura pode se tornar absurdamente massiva (>1 milhão de massas solares) e brilhantes (>1 bilhão de vezes mais brilhante do que o Sol). Considerando que esses corpos podem alcançar vários milhões de vezes a massa solar e até 10 bilhões de vezes o brilho solar (estrelas escuras supermassivas), a luminosidade de uma única estrela escura pode competir com uma galáxia inteira.

Segundo o atual modelo teórico cosmológico, as primeiras estrelas se formaram 100-400 milhões após o evento do Big Bang (6) como consequência do colapso gravitacional de nuvens primordiais de hidrogênio molecular com zero metalicidade (sem elementos metálicos) no centro de mini-halos de 1-100 milhões de vezes a massa solar. A maioria dessas estrelas alcançariam massas [em sua maioria] de ~1000 massas solares, com luminosidade sendo observada hoje e no universo local com desvio para o vermelho (redshift) de z ~ 20-10 (7).

Leitura recomendada:

O Telescópio Espacial James Webb, lançado em 2022 e operando em uma ampla faixa do infravermelho, está revolucionando a astronomia e identificando galáxias tão antigas e distantes quanto 200 milhões ou menos de idade pós-Big Bang (Z ~ 20). No novo estudo publicado na PNAS, os pesquisadores propuseram que algumas dessas galáxias muito antigas (alto redshift) detectadas através do James Webb não são galáxias e, sim, estrelas escuras. Através de análises espectroscópicas, três candidatos foram apontados como potenciais estrelas escuras nas observações do James Webb (z > ~10): objetos JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 e JADES-GS-z11-0, todos até o momento identificados como galáxias (Fig.1).

Esses três objetos são um dos mais antigos corpos já observados pelos astrônomos, com idades variando de ~320 milhões até 400 milhões de anos pós-Big Bang, e representam antigas galáxias ou estrelas escuras supermassivas. Aliás, a confirmação da existência de estrelas escuras pode ajudar a resolver também um problema astrofísico criado pelo James Webb: parecem existir muitas grandes galáxias no início do universo, desafiando predições do modelo padrão de cosmologia. Se algumas das galáxias primordiais observadas pelo James Webb forem estrelas escuras, as simulações de formação galáctica passam a concordar melhor com o modelo teórico hoje aceito.

REFERÊNCIAS