SDSS J0715-7334 é a estrela antiga mais pura já encontrada na Via Láctea

Uma relíquia estelar quase imaculada: SDSS J0715-7334

Uma estrela aqui mesmo na galáxia Via Láctea é, até agora, a estrela antiga mais “pura” identificada pelos astrónomos.

Isto quer dizer que está extraordinariamente (embora não totalmente) livre de contaminação por metais - elementos que só surgiram depois de outras estrelas terem nascido e morrido. É, por isso, um fóssil do Universo primordial, muito provavelmente formado a partir de gás enriquecido por uma das primeiras explosões de supernova do cosmos.

SDSS J0715-7334 foi, em tempos, uma estrela de baixa massa semelhante ao Sol. Já esgotou a fase de sequência principal e encontra-se agora como uma gigante vermelha, perto do fim da sua vida - resistindo tempo suficiente para nos ensinar sobre épocas remotíssimas.

"Estas estrelas imaculadas são janelas para o amanhecer das estrelas e das galáxias no Universo", afirma o cosmólogo Alexander Ji, da Universidade de Chicago, que liderou a investigação.

Do Universo primordial às Populações III e II

Após o Universo ter surgido na Grande Explosão, o espaço ficou preenchido por um nevoeiro quente e denso de plasma composto por pequenos núcleos atómicos e electrões livres.

A pouca luz existente não conseguiria atravessar esse nevoeiro: os fotões dispersavam-se nos electrões em suspensão, deixando o Universo, na prática, às escuras.

Por volta de 300,000 anos depois da Grande Explosão, contudo, o arrefecimento já permitia que protões e electrões se combinassem, originando hidrogénio neutro e uma pequena quantidade de hélio. Foi a partir de aglomerados densos deste hidrogénio e hélio “pristinos” que nasceram as primeiras estrelas, conhecidas como População III.

Os elementos mais pesados do que o hélio só passaram a circular amplamente pelo Universo depois de essas estrelas morrerem.

As estrelas obtêm energia através da fusão - o processo em que os átomos se unem para formar elementos mais pesados: primeiro hidrogénio em hélio, depois hélio em carbono, e assim sucessivamente. Em astronomia, os elementos mais pesados do que o hélio são designados por metais.

A cadeia pára no ferro, porque a sua fusão exige mais energia do que aquela que liberta. Ainda assim, elementos ainda mais pesados são produzidos nas enérgicas explosões de supernova que assinalam a morte de estrelas massivas. Essas explosões lançam elementos pesados pelo espaço, que podem depois ser incorporados na formação de novas estrelas.

Todas as estrelas alguma vez medidas revelam algum nível deste enriquecimento metálico - mas em graus muito diferentes. As que apresentam menos, chamadas População II, têm uma metalicidade tão baixa que a sua composição só pode ter sido enriquecida por População III.

"Nunca foram observadas estrelas de População III, seja porque eram massivas, viveram depressa e morreram cedo, seja porque as estrelas de População III de massa mais baixa, que poderiam ter sobrevivido até aos dias de hoje, são extremamente raras", explica o astrónomo Kevin Schlaufman, da Universidade Johns Hopkins.

"De qualquer forma, as propriedades desta primeira geração estelar são algumas das incógnitas mais importantes da astrofísica moderna."

Por isso, as estrelas de População II são um alvo prioritário: ao estudar a sua química, os astrónomos tentam reconstruir as características das estrelas que as antecederam.

Uma descoberta quase acidental no SDSS

É aqui que SDSS J0715-7334 volta a entrar na história. Ji e os seus alunos encontraram-na quase por acaso enquanto procuravam estrelas interessantes no Sloan Digital Sky Survey (SDSS), como parte do programa curricular.

Na primeira noite de observação, a segunda estrela apontada pelos estudantes foi SDSS J0715-7334. A intenção era observá-la durante 10 minutos. No fim, ficaram a recolher dados durante três horas.

"Eu estive a olhar para aquela câmara a noite toda para garantir que estava a funcionar", recorda a astrónoma Natalie Orrantia, uma das estudantes envolvidas.

O que a química revela: quase só hidrogénio e hélio

Quando analisaram a estrela com mais detalhe, percebeu-se que a sua composição era praticamente toda de hidrogénio e hélio. A sua metalicidade é de apenas 0.005 percent da do Sol - e quase metade da do anterior recordista de baixa metalicidade.

No espectro, havia apenas um vestígio ínfimo de ferro - uma metalicidade total 40 vezes inferior à da estrela seguinte mais pobre em ferro conhecida. Mas o que realmente surpreendeu a equipa foi o teor de carbono, extraordinariamente baixo.

"A estrela tem tão pouco carbono que isso sugere que uma deposição precoce de poeira cósmica foi responsável por a formar", disse Ji. "Este percurso de formação só foi visto uma vez antes."

Em condições normais, o gás precisa de certos elementos, como carbono ou oxigénio, para arrefecer o suficiente e formar estrelas. Pensa-se que o caminho de formação das estrelas de População III dependia de moléculas de hidrogénio, menos eficientes. Porém, assim que o carbono apareceu, tornou-se o principal agente de arrefecimento necessário para a formação estelar em todo o Universo.

A escassez de carbono no espectro de SDSS J0715-7334 não aponta para um arrefecimento “puro” por hidrogénio, como o que terá sido usado pelas primeiras estrelas.

Em vez disso, a sua assinatura química indica que nasceu num regime intermédio raro: havia carbono a menos para o mecanismo de arrefecimento habitual, pelo que quantidades minúsculas de poeira cósmica - cinzas remanescentes de supernovas de População III - terão ajudado o gás a colapsar.

"No entanto, será necessário encontrar muitas mais estrelas igualmente pobres em metais, em ambientes diferentes, para testar esta hipótese", escrevem Ji e a sua equipa no artigo.

Indícios de origem na Grande Nuvem de Magalhães

A posição da estrela e o modo como se desloca no céu sugerem que não veio da Via Láctea, mas sim da Grande Nuvem de Magalhães, uma galáxia anã que orbita a Via Láctea. Isto pode indicar que a Grande Nuvem de Magalhães esconde mais estrelas deste tipo à espera de serem identificadas.

"É possível que venhamos a encontrar uma proporção relativamente mais elevada de estrelas ultra-pobres em metais em galáxias como as Nuvens de Magalhães do que na nossa própria galáxia Via Láctea", afirma Schlaufman.

"Ainda há muito a fazer para compreender o que estava realmente a acontecer nessa era, há muito, muito tempo, quando a Via Láctea era jovem. Só arranhámos a superfície."

A descoberta foi publicada na revista Nature Astronomy.