As primeiras estrelas no cosmos podem ter atingido mais de 10.000 vezes a massa do sol, aproximadamente 1.000 vezes maior do que as maiores estrelas vivas hoje em dia, um novo estudo descobriu.
Hoje em dia, as maiores estrelas são 100 massas solares. Mas o universo primitivo era um lugar muito mais exótico, cheio de mega-estrelas gigantes que viviam depressa e morriam muito, muito jovens, que os investigadores encontraram.
E uma vez que estes gigantes condenados morreram, nunca mais se criaram condições para a sua formação.
A Idade das Trevas cósmica
Há mais de 13 mil milhões de anos, não muito depois do Big Bang, o universo não tinha estrelas. Não havia nada mais do que uma sopa quente de gás neutro, quase inteiramente feita de hidrogénio e hélio. No entanto, ao longo de centenas de milhões de anos, esse gás neutro começou a amontoar-se em bolas de matéria cada vez mais densas. Este período é conhecido como a Idade das Trevas cósmica.
No universo moderno, bolas densas de matéria rapidamente caem para formar estrelas. Mas isso’s porque o universo moderno tem algo que faltava ao universo primitivo: muitos elementos mais pesados do que o hidrogénio e o hélio. Estes elementos são muito eficientes a irradiar energia para longe. Isto permite que os aglomerados densos encolham muito rapidamente, colapsando a densidades suficientemente altas para desencadear a fusão &ndash nuclear; o processo que alimenta as estrelas através da combinação de elementos mais leves em mais pesados.
Mas a única forma de obter elementos mais pesados em primeiro lugar é através desse mesmo processo de fusão nuclear. Múltiplas gerações de estrelas a formar, fundir e morrer enriqueceram o cosmos até ao seu estado actual.
Sem a capacidade de libertar rapidamente calor, a primeira geração de estrelas teve de se formar sob condições muito diferentes, e muito mais difíceis.
Frentes frias
Para compreender o puzzle destas primeiras estrelas, uma equipa de astrofísicos recorreu a sofisticadas simulações de computador da idade das trevas para compreender o que se passava na altura. Comunicaram as suas descobertas em Janeiro num artigo publicado no arXiv da base de dados de pré-impressão e submetido para revisão pelos pares aos Avisos Mensais da Royal Astronomical Society.
O novo trabalho apresenta todos os ingredientes cosmológicos habituais: matéria escura para ajudar ao crescimento de galáxias, a evolução e o aglomerado de gás neutro, e radiação que pode refrigerar e por vezes reaquecer o gás. Mas o seu trabalho inclui algo que falta a outros: frentes frias – fluxos rápidos de matéria refrigerada – que batem em estruturas já formadas.
Os investigadores descobriram que uma complexa teia de interacções precedeu a primeira formação estelar. O gás neutro começou a recolher e a aglomerar-se. O hidrogénio e o hélio libertaram um pouco de calor, o que permitiu que os tufos do gás neutro atingissem lentamente densidades mais elevadas.
Mas os tufos de alta densidade tornaram-se muito quentes, produzindo radiação que partiu o gás neutro e o impediu de se fragmentar em muitos tufos mais pequenos. Isto significa que as estrelas feitas a partir destes tufos podem tornar-se incrivelmente grandes.
Estrelas supermassivas
Estas interacções entre a radiação e o gás neutro conduziram a enormes poças de gás neutro– o início das primeiras galáxias. O gás no interior destas proto-galáxias formava rapidamente discos de acreção – anéis de matéria de fluxo rápido que se formam em torno de objectos maciços, incluindo buracos negros no universo moderno.
Entretanto, nos bordos exteriores das proto-galáxias, choviam frentes frias de gás. As frentes mais frias e maciças penetraram nas proto-galáxias até ao disco de acreção.
Estas frentes frias bateram contra os discos, aumentando rapidamente a sua massa e densidade até um limiar crítico, permitindo assim o aparecimento das primeiras estrelas.
Essas primeiras estrelas eram’e não apenas quaisquer fábricas de fusão normais. Eram tufos gigantescos de gás neutro que inflamavam os seus núcleos de fusão de uma só vez, saltando a fase em que se fragmentavam em pequenos pedaços. A massa estelar resultante era enorme.
Essas primeiras estrelas teriam sido incrivelmente brilhantes e teriam vivido vidas extremamente curtas, menos de um milhão de anos. (As estrelas no universo moderno podem viver milhares de milhões de anos). Depois disso, teriam morrido em rajadas de explosões de supernovas.
Essas explosões teriam transportado os produtos das reacções de fusão interna – elementos mais pesados que o hidrogénio e o hélio – que depois semearam a próxima ronda de formação estelar. Mas agora contaminados por elementos mais pesados, o processo não podia’não se repetiria, e esses monstros nunca mais apareceriam na cena cósmica.
