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

Uma estrela da nossa galáxia, a Via Láctea, é a mais pura entre as estrelas antigas alguma vez identificadas por astrónomos.

Isto quer dizer que está de forma notável (embora não totalmente) pouco “poluída” por metais - elementos que só surgiram mais tarde, depois de outras estrelas terem vivido e morrido. Trata-se, por isso, de um fóssil do Universo primordial, muito provavelmente nascido a partir de gás enriquecido por uma das primeiras explosões de supernova da história cósmica.

Em tempos uma estrela de baixa massa semelhante ao Sol, a SDSS J0715-7334 já esgotou a sua fase de sequência principal. Hoje é uma gigante vermelha, a aproximar-se do fim da vida - e a durar o suficiente para nos ensinar sobre épocas imensamente antigas.

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

Do Big Bang às primeiras estrelas (População III)

Após o Universo ter surgido no Big Bang, o espaço ficou preenchido por uma névoa quente e densa de plasma, composta por pequenos núcleos atómicos e electrões livres.

A pouca luz existente não conseguiria atravessar essa névoa; os fotões limitavam-se a dispersar-se ao colidirem com os electrões em circulação, deixando o Universo efectivamente às escuras.

Cerca de 300,000 anos depois do Big Bang, porém, o arrefecimento já era suficiente para permitir que protões e electrões se juntassem, formando 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 se tornaram amplamente distribuídos pelo Universo quando essas estrelas morreram.

As estrelas obtêm energia através da fusão - o processo em que 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 sequência termina no ferro, porque a sua fusão consome mais energia do que a que liberta. Ainda assim, elementos mais pesados podem ser produzidos nas supernovas energéticas que assinalam a morte de estrelas muito massivas. Estas explosões espalham elementos pesados pelo espaço, que mais tarde podem integrar-se no material a partir do qual novas estrelas se formam.

Porque as estrelas de População II são tão valiosas

Todas as estrelas analisadas até hoje apresentam algum nível de enriquecimento em metais - embora em graus diferentes. As que têm menos, chamadas População II, exibem uma metalicidade tão baixa que a sua composição só pode ter sido enriquecida por estrelas da População III.

"Nunca foram observadas estrelas de População III, quer porque eram massivas, viveram depressa e morreram cedo, quer porque as estrelas de População III de massa mais baixa, que poderiam sobreviver até ao presente, são extremamente raras", explica o astrónomo Kevin Schlaufman, da Universidade Johns Hopkins.

"De qualquer modo, as propriedades desta primeira geração estelar estão entre as incógnitas mais importantes da astrofísica moderna."

Por isso, as estrelas de População II são especialmente procuradas: ao estudarem as suas assinaturas químicas, os astrónomos conseguem inferir características das estrelas que as precederam.

SDSS J0715-7334: a estrela ultra-pobre em metais encontrada quase por acaso

É aqui que entra a SDSS J0715-7334, descoberta quase por acidente por Ji e pelos seus estudantes, enquanto procuravam estrelas interessantes no Sloan Digital Sky Survey (SDSS) como parte do seu programa curricular.

Na primeira noite de observação com o telescópio, a segunda estrela que os estudantes apontaram foi a SDSS J0715-7334. A ideia era observá-la durante 10 minutos. Acabaram por ficar a fixá-la durante três horas.

"Estive a olhar para a câmara a noite toda, para garantir que estava a funcionar", conta a astrónoma Natalie Orrantia, uma das estudantes envolvidas.

Uma análise mais detalhada revelou que a estrela tem uma composição quase inteiramente de hidrogénio e hélio. A sua metalicidade é de apenas 0.005 percent da do Sol, e aproximadamente metade da do anterior detentor do recorde de menor metalicidade.

No espectro, havia apenas um vestígio mínimo de ferro - no total, uma metalicidade 40 vezes inferior à da próxima estrela conhecida com menos ferro. Mas o que realmente surpreendeu a equipa foi o teor de carbono, extraordinariamente baixo.

Um teor de carbono surpreendentemente baixo e o papel do “pó” cósmico

"A estrela tem tão pouco carbono que sugere que uma pulverização inicial de poeira cósmica foi responsável pela sua formação", disse Ji. "Este caminho de formação só foi observado uma vez antes."

Em geral, o gás precisa de determinados elementos, como carbono ou oxigénio, para arrefecer o suficiente e conseguir formar estrelas. Pensa-se que o caminho de formação das estrelas de População III dependia de moléculas de hidrogénio - menos eficientes -, mas, assim que o carbono surgiu, passou a dominar o mecanismo de arrefecimento necessário à formação estelar por todo o Universo.

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

Em vez disso, a química observada indica que a estrela terá surgido num regime intermédio raro: havia carbono a menos para o caminho habitual de arrefecimento, pelo que quantidades ínfimas de poeira cósmica - as cinzas remanescentes das supernovas da 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.

Uma possível origem fora da Via Láctea: a Grande Nuvem de Magalhães

A posição da estrela e o modo como se desloca no céu sugerem que não terá vindo da Via Láctea, mas sim da Grande Nuvem de Magalhães, uma galáxia anã que orbita a Via Láctea. Isso pode indicar que a Grande Nuvem de Magalhães alberga mais estrelas deste tipo, ainda por descobrir.

"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 Via Láctea", afirma Schlaufman.

"Ainda há muito trabalho pela frente para perceber o que estava realmente a acontecer nessa era, há muito, muito tempo, quando a Via Láctea era jovem. Mal arranhámos a superfície."

A descoberta foi publicada na Nature Astronomy.