Como as primeiras estrelas deixaram pistas químicas que ainda podem ser encontradas hoje

O projeto MEGATRON acompanha a evolução de uma região do cosmos destinada a formar uma galáxia com massa semelhante à da Via Láctea. As simulações começam com gás primordial, sem elementos mais pesados que o hélio, e seguem a formação das primeiras estrelas — as chamadas População III — e o crescimento de seus sistemas galácticos precursores. 58

A ideia central é calcular, em conjunto, processos que muitas vezes são estudados separadamente: o movimento do gás, suas reações químicas e a propagação da radiação emitida pelas estrelas. Com isso, os pesquisadores podem prever tanto as propriedades da luz de galáxias distantes quanto as marcas químicas que suas estrelas deixam no ambiente ao longo do tempo. 5

Radiação, química e supernovas em conjunto

A radiação das estrelas aquece e ioniza o gás. Moléculas primordiais, como o hidrogênio molecular, e elementos mais pesados alteram a maneira como esse gás esfria e pode formar novas estrelas. Quando estrelas explodem como supernovas, também espalham elementos recém-produzidos pelo espaço ao redor.

Nos modelos, o gás de galáxias antigas é mais denso e menos enriquecido por elementos pesados do que o de galáxias próximas, e está sujeito a campos de radiação mais intensos. Essas condições são compatíveis com interpretações de observações do telescópio espacial James Webb (JWST). As simulações também reproduzem a diversidade de espectros observada em galáxias distantes; ainda assim, combinar com um espectro não basta, por si só, para determinar qual processo de feedback o produziu. 13

Uma possível pista nas galáxias anãs

Um dos resultados iniciais do projeto trata da abundância de ferro em galáxias anãs. As simulações indicam que o enriquecimento pelas primeiras estrelas pode gerar um platô na quantidade média de ferro das galáxias menores, em vez de uma queda contínua conforme diminui a massa estelar. O platô previsto fica em torno de [Fe/H] ≈ −2,5 — uma medida da abundância de ferro em relação à do Sol. 43

Esse padrão pode preservar um vestígio das primeiras explosões estelares, mas não revela de maneira definitiva as características das estrelas que explodiram. É uma hipótese que precisa ser confrontada com observações e com outros modelos. 7

Da luz distante às estrelas antigas da Via Láctea

O JWST observa galáxias muito distantes como eram no Universo jovem. Em paralelo, estrelas antigas e pobres em metais, na Via Láctea e em seu entorno, preservam pistas sobre o material de que se formaram. O MEGATRON permite comparar os espectros previstos para galáxias jovens com a luz observada pelo telescópio e confrontar as abundâncias químicas previstas com as medidas nessas estrelas. São duas janelas distintas para investigar a formação estelar no início do Universo. 87

Os primeiros estudos do projeto já abordaram espectros de alto desvio para o vermelho, o gás e o feedback em galáxias jovens, os ambientes das estrelas População III e o enriquecimento de ferro em galáxias anãs. Simulações futuras, com resolução ainda maior, deverão detalhar melhor o gás em que as primeiras estrelas se formaram. Isso ajudará a testar diferentes hipóteses sobre as massas dessas estrelas, sua radiação e os elementos produzidos por suas supernovas, comparando as previsões tanto com dados do JWST quanto com a composição de estrelas antigas. Esse teste ainda está por vir: as características das primeiras estrelas não estão estabelecidas de forma definitiva. 81367