Galáxia sem metais pode ocultar as primeiras estrelas do universo.

Ao longo de milhares de milhões de anos, o Universo vem mudando de forma contínua. Como o próprio Universo está em expansão, conseguimos “olhar” para trás no tempo e acompanhar essa transformação quase desde os seus primórdios.

De vez em quando, porém, surge uma observação que desafia o que os modelos atuais dizem sobre como o cosmos deveria funcionar.

É exatamente esse o caso de uma galáxia apresentada num artigo científico recente liderado pela doutoranda Sijia Cai, do Departamento de Astronomia da Universidade Tsinghua, em conjunto com colaboradores.

A equipa identificou uma galáxia que se formou há cerca de 11 mil milhões de anos e que, ainda assim, aparenta ser praticamente “livre de metais” - um indício de que ela pode abrigar um conjunto raro de estrelas de primeira geração, as chamadas estrelas da População III (Pop III).

O que são estrelas da População III (Pop III) e por que “metais” importam

Antes de entrar na descoberta, vale esclarecer o contexto. As estrelas da População III (Pop III) são consideradas a primeira geração de estrelas formada no início da história do Universo. O ponto central é que elas praticamente não têm “metais” - e, em cosmologia, “metal” significa qualquer elemento químico mais pesado do que o hélio e o hidrogénio.

Como esses elementos mais pesados só podem ser produzidos dentro de estrelas (ou durante as supernovas que elas geram), a primeira geração estelar, por definição, não poderia nascer já enriquecida por esse material.

Há décadas, cosmólogos procuram exemplos diretos de estrelas Pop III, mas até agora não tinham conseguido encontrar nenhum caso incontestável.

Em geral, as buscas concentram-se numa fase conhecida como Época da Reionização, que ocorreu até cerca de 1 mil milhão de anos depois do Big Bang - quando o Universo era muito jovem e acredita-se que as primeiras estrelas estavam a começar a surgir.

A galáxia MPG-CR3 (CR3): um sinal “prístino” fora de época

Por isso, é fácil entender a surpresa dos autores ao encontrarem uma galáxia que aparece aproximadamente 2 mil milhões de anos depois da Época da Reionização. Nesse momento da evolução cósmica, muitas estrelas já deveriam ter nascido, vivido e morrido. Os seus remanescentes tenderiam a “contaminar” o meio ao redor - nuvens de gás e poeira, e até outras estrelas - com os metais que fabricaram. Pelo menos, essa era a expectativa teórica.

Ainda assim, com dados obtidos pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST), pelo Very Large Telescope (VLT) e pelo Telescópio Subaru, a equipa identificou uma galáxia a que deu o nome MPG-CR3 (ou simplesmente CR3).

O que chamou atenção foi a sua assinatura espectral: comparada com outras galáxias da mesma época, a CR3 exibiu linhas muito “limpas” de hidrogénio e hélio e, sobretudo, uma ausência quase total de “metais” - como oxigénio - no espectro. Segundo o estudo, o limite superior para a metalicidade das estrelas da galáxia coloca-a em cerca de 0,7% da metalicidade do Sol.

Outro ponto intrigante é que a própria galáxia parece ter apenas cerca de 2 milhões de anos - algo bastante jovem em termos galácticos.

E por que conseguimos vê-la tão jovem se ela se formou há milhares de milhões de anos? Por causa da expansão do espaço-tempo: a luz que chega até nós hoje saiu de lá quando o objeto ainda estava no início da sua evolução.

Os dados também sugerem que a CR3 é relativamente pobre em poeira e que possui estrelas relativamente pequenas, especialmente para uma galáxia tão antiga. Durante o período conhecido como Meio-dia Cósmico, muitas galáxias exibem estrelas supermassivas quando comparadas às do nosso próprio ambiente galáctico.

Como os astrónomos inferem “metalicidade” a partir do espectro (contexto adicional)

A análise depende de espectroscopia: ao decompor a luz da galáxia em diferentes comprimentos de onda, é possível identificar “linhas” características de elementos específicos. Em termos práticos, a presença (ou ausência) dessas linhas funciona como um inventário químico: oxigénio, carbono e outros elementos deixam marcas detetáveis; quando essas marcas quase não aparecem, a conclusão natural é que o gás que formou as estrelas era pouco enriquecido.

Esse tipo de diagnóstico é especialmente poderoso para objetos distantes, porque a luz traz consigo informações do estado físico do gás (temperatura, ionização) e da composição, permitindo comparar diretamente o que se observa com previsões sobre as primeiras gerações estelares.

A linha de Hélio II (He II) que não apareceu - e as hipóteses para isso

Há, no entanto, uma peça importante que costuma ser considerada crucial para identificar estrelas Pop III e que não aparece com clareza nos dados da CR3: a linha de emissão de Hélio II (He II).

Embora essa linha não esteja visível no espectro do VLT - justamente onde ela poderia, em princípio, ser detetada - os autores apresentam duas possibilidades para explicar o desaparecimento do sinal. A primeira é que já existe uma linha de emissão forte de OH (vinda de outra fonte) exatamente naquela região do espectro, o que acabaria por mascarar ou anular o sinal de He II.

A segunda explicação é que a própria emissão de He II pode ter diminuído: a amplitude desse sinal cai de forma significativa apenas alguns milhões de anos após o início da formação estelar. Ou seja, a galáxia poderia já estar ligeiramente além do “momento ideal” para ver esse traço com nitidez.

Como a CR3 teria escapado do enriquecimento químico

Se as estrelas de primeira geração eram esperadas muito mais cedo, a pergunta inevitável é: como uma galáxia específica conseguiria evitar a “poluição” por metais produzidos por estrelas formadas milhares de milhões de anos antes e, ainda assim, formar estrelas tão “prístinas” tão tarde na evolução do Universo?

A resposta proposta pelos autores tem a ver com a distribuição da matéria. Em essência, a CR3 estaria localizada numa região do espaço relativamente vazia.

Em termos técnicos, isso é chamado de região subdensa. A ideia é que, quando a nuvem de gás que deu origem à CR3 finalmente colapsou e começou a formar estrelas, os metais expelidos por regiões vizinhas mais ativas ainda não tinham chegado até lá.

Isolada e distante dos seus “vizinhos”, a CR3 teria conseguido iniciar uma formação estelar que se assemelha, em composição, a um cenário de primeira geração - separada do que estava a acontecer em áreas mais povoadas do Universo.

O que esse isolamento pode dizer sobre a evolução química do cosmos (contexto adicional)

Se a interpretação se confirmar, a CR3 também pode servir como teste para modelos de mistura e transporte de elementos no meio intergaláctico. Em outras palavras, ela ajudaria a estimar quão rapidamente os metais se espalham pelo espaço e até que ponto “bolsões” de gás pouco enriquecido podem sobreviver por muito tempo. Isso tem implicações diretas para entender por que algumas regiões evoluem quimicamente mais rápido do que outras.

O que falta para confirmar uma galáxia Pop III

Ainda são necessários mais dados para validar a CR3 como a primeira galáxia Pop III já identificada. Mas, se a confirmação vier, o ganho para a ciência seria enorme: encontrar uma galáxia recheada dessas estrelas a uma “distância observável” mais acessível do que se imaginava tornaria o estudo desse tipo de objeto muito mais viável.

Se observações futuras conseguirem confirmar a linha de He II, ou então oferecer uma explicação incontestável para a sua ausência, é provável que cosmólogos passem muito tempo a investigar esta galáxia curiosa - ao mesmo tempo muito jovem no que mostra e muito antiga no que representa na história do Universo.

Este texto foi publicado originalmente no portal Universo Hoje. Leia o artigo original.