PicII-503: uma estrela de População II com pobreza extrema em ferro

Há milhares de milhões de anos, quando o Universo ainda era muito jovem, tudo estava mergulhado na escuridão. Só mais tarde, quando as primeiras estrelas começaram a brilhar, o espaço se tornou transparente e a luz passou a propagar-se livremente.

Existe, porém, um detalhe intrigante: até hoje não foi identificada uma única dessas estrelas inaugurais, conhecidas como estrelas de População III.

Agora, os astrónomos encontraram o melhor substituto possível: uma estrela tão “anémica” do ponto de vista químico que terá surgido logo a seguir à geração que mudou o Universo para sempre.

População II, Pictor II e a raridade de PicII-503

Estrelas com estas características encaixam na categoria de População II - e são extraordinariamente raras. A estrela em causa, chamada PicII-503, desperta especial interesse por um motivo claro: é a estrela mais pobre em ferro alguma vez encontrada fora da Via Láctea, situada numa antiga galáxia anã com mais de 10 mil milhões de anos.

"Descobrir uma estrela que preserva de forma inequívoca os metais pesados das primeiras estrelas estava no limite do que julgávamos possível, dada a raridade extrema destes objectos", afirma o astrofísico Anirudh Chiti, da Universidade de Stanford.

"Com a menor abundância de ferro alguma vez determinada em qualquer galáxia anã ultraténue, a PicII-503 oferece uma janela sem precedentes para a produção inicial de elementos num sistema primordial."

Porque é tão difícil encontrar estrelas de População III?

O Universo não tem um centro; por isso, se as primeiras estrelas ainda existissem, estariam distribuídas de forma relativamente homogénea pelo espaço-tempo.

Ainda assim, os cientistas consideram que as estrelas de População III eram muito mais massivas do que as estrelas actuais e, por consequência, viveram muito pouco tempo.

O ponto de partida é simples: no início, o material disponível para formar estrelas tinha pouca diversidade. Essencialmente, havia hidrogénio e hélio - pouco mais.

Quando as estrelas começaram a formar-se, passaram a fundir átomos nos seus núcleos, produzindo elementos progressivamente mais pesados, até ao ferro.

Ao esgotarem o combustível de fusão, muitas dessas estrelas terão terminado em explosões espetaculares, espalhando pelo espaço os elementos que tinham fabricado. Além disso, as explosões de supernova funcionam como fornalhas violentas nas quais se criam elementos ainda mais pesados do que o ferro.

Esses elementos mais pesados - a que os astrónomos chamam “metais” - misturam-se depois com o gás que dará origem à geração seguinte de estrelas, num ciclo que se repete. De forma geral, quanto mais jovem é uma estrela, mais evidente tende a ser o seu conteúdo em metais; quanto mais antiga, menor é essa assinatura metálica.

Onde está PicII-503 e porque Pictor II é um “fóssil” galáctico

A PicII-503 encontra-se a cerca de 150,000 anos-luz, numa pequena e ténue galáxia anã em órbita da Via Láctea chamada Pictor II.

A Pictor II é classificada como uma galáxia fóssil: as suas estrelas são extremamente antigas e, há milhares de milhões de anos, não tem registado formação estelar nem incorporado novas estrelas.

Estas condições tornam-na um local particularmente valioso para procurar estrelas que possam ter nascido a partir do material enriquecido pelas estrelas de População III - exactamente o que Chiti e os seus colegas se propuseram fazer.

Como foi feita a detecção: levantamento MAGIC, instrumentação e selecção por metais

Para localizar estrelas com abundâncias de metais excepcionalmente baixas, a equipa recorreu a dados do levantamento Mapeamento da Galáxia Antiga em CaHK (MAGIC), obtidos com a Câmara de Energia Escura no telescópio de 4 m Víctor M. Blanco, da Fundação Nacional de Ciência dos EUA.

Entre os alvos analisados, a PicII-503 destacou-se de imediato.

O que revela o espectro: ferro e cálcio quase inexistentes, carbono em excesso

De acordo com a análise espectral, a PicII-503 tem cerca de 43,000 vezes menos ferro do que o Sol e aproximadamente 160,000 vezes menos cálcio. Em contraste, a sua abundância de carbono é enorme - cerca de 3,000 vezes superior quando comparada, em termos relativos, com esses elementos.

Os investigadores consideram que a escassez de metais pesados é tão extrema que a melhor interpretação, dentro do que se sabe sobre o Universo, é que se trata de uma estrela de População II. Isto aponta para uma origem em gás previamente enriquecido pelas primeiras estrelas.

Esse desequilíbrio químico funciona como pista: sugere que a estrela se formou a partir de detritos de uma supernova invulgarmente pouco luminosa, na qual elementos mais pesados, como ferro e cálcio, caíram de volta para o remanescente, enquanto elementos mais leves, como o carbono, conseguiram escapar.

Se a supernova tivesse sido mais energética, os elementos teriam sido ejectados a velocidades superiores à velocidade de escape de uma galáxia pequena como a Pictor II - e, nesse cenário, a PicII-503 não teria conseguido formar-se.

Implicações para o halo da Via Láctea e a história de acreção de galáxias

Este resultado pode também ajudar a compreender melhor as estrelas antigas escondidas no halo da nossa própria galáxia. Ao longo da sua história, a Via Láctea engoliu muitas galáxias menores - e continua a fazê-lo. A Pictor II poderá, um dia, ter o mesmo destino.

"O que mais me entusiasma é termos observado um resultado da produção inicial de elementos numa galáxia primordial, o que é uma observação fundamental!", afirma Chiti.

"Isto também se liga de forma clara à assinatura que observámos nas estrelas de menor metalicidade do halo da Via Láctea, unindo as suas origens e a natureza enriquecida pelas primeiras estrelas destes objectos."

A investigação foi publicada na revista Nature Astronomy.