Um novo estudo revolucionário, publicado hoje no The Astrophysical Journal Letters, está redefinindo nossa compreensão de um dos objetos mais intrigantes do cosmos: Earendel, a até então considerada estrela individual mais distante já detectada. Observações detalhadas feitas com o Telescópio Espacial James Webb (JWST), o mais poderoso observatório espacial da humanidade, sugerem que Earendel não é uma única estrela massiva, mas sim um aglomerado estelar compacto e antigo, formado nos albores do Universo. Essa descoberta tem implicações profundas para nossa compreensão de como as primeiras galáxias e seus componentes mais densos, os aglomerados globulares, se formaram e evoluíram.
A Descoberta de Earendel: Um Olhar para o Passado Distante
Earendel (oficialmente WHL0137-LS) ganhou as manchetes mundiais em 2022, quando foi identificada pelo Telescópio Espacial Hubble como a estrela individual mais distante já vista. Situada na galáxia Sunrise, a um desvio para o vermelho de aproximadamente z = 6 (o que significa que estamos vendo sua luz como ela era há quase 13 bilhões de anos, apenas 900 milhões de anos após o Big Bang), a detecção de Earendel foi possível graças a um fenômeno cósmico extraordinário conhecido como lente gravitacional forte.
Imagine o espaço-tempo como uma vasto tapete. Objetos massivos, como os enormes aglomerados de galáxias, distorcem esse tapete, e essa distorção age como uma lupa cósmica. No caso de Earendel, um aglomerado de galáxias em primeiro plano magnificou sua luz por um fator de milhares a dezenas de milhares de vezes, tornando-a visível para nós na Terra. Essa magnificação extrema permitiu que o Hubble e, posteriormente, o JWST, observassem Earendel com detalhes sem precedentes, apesar de sua imensa distância.
Inicialmente, com base nas restrições de tamanho impostas pelos modelos de lente gravitacional, Earendel foi considerada uma estrela ou um sistema binário de estrelas. As primeiras análises sugeriam um tamanho intrínseco de menos de 0,02 parsecs (aproximadamente 4.000 unidades astronômicas), colocando-a na escala de um sistema estelar individual. As observações do JWST NIRCam, na época, pareciam indicar que sua fotometria não era bem ajustada por uma única estrela, mas sim por um sistema binário de duas estrelas massivas (cerca de 20 massas solares) com temperaturas efetivas de aproximadamente 34.000 e 9.000 Kelvin.
A Reviravolta: Novas Perspectivas sobre a Lente Gravitacional
No entanto, o campo da cosmologia e da astrofísica está em constante evolução. Trabalhos recentes começaram a questionar a rigidez dessas restrições de tamanho. Modelos de lente gravitacional anteriores tendiam a incluir apenas subhalos de matéria escura que possuíam galáxias visíveis nas imagens do Hubble ou JWST. Pesquisadores como L. Ji & L. Dai (2025) mostraram que a população de subhalos de matéria escura, que se estende abaixo da escala de massa galáctica típica (cerca de 10^10 massas solares) até escalas muito menores (10^6 massas solares ou até menos), pode ter um efeito significativo na força da cáustica da lente.
Esses subhalos menores são invisíveis opticamente, mas sua presença pode relaxar as restrições de tamanho da fonte lensed. Por meio de uma combinação de modelagem semi-analítica e rastreamento de raios numérico, foi descoberto que a presença desses subhalos pode permitir que a fonte intrínseca de Earendel seja tão grande quanto 3 parsecs (aproximadamente 10 anos-luz), sem contradizer as observações. Um tamanho de 3 parsecs é perfeitamente compatível com o de muitos aglomerados estelares massivos observados tanto no Universo local quanto em alto desvio para o vermelho. Essa nova perspectiva reabriu o debate sobre a verdadeira natureza de Earendel.
Além disso, um estudo independente de Z. P. Scofield et al. (2025), que construiu um novo modelo de lente gravitacional forte e fraca, sugeriu que a magnificação de Earendel poderia ser muito menor, talvez em torno de 50 vezes. Essa abordagem foi validada ao prever com precisão a magnificação de SN H0pe, uma das poucas fontes múltiplas na literatura com magnificação conhecida. Essas revisões nos modelos de lente levantaram sérias dúvidas sobre a identificação anterior de Earendel como uma única estrela.
A Investigação do JWST: Espectroscopia de Precisão
Motivados por essas novas compreensões sobre a lente gravitacional, a equipe de pesquisadores liderada por Massimo Pascale, Liang Dai, Brenda L. Frye e Aliza G. Beverage, do Departamento de Astronomia da Universidade da Califórnia em Berkeley e da Universidade do Arizona, decidiu explorar a hipótese de que Earendel poderia ser, de fato, um aglomerado estelar compacto. Para isso, eles utilizaram dados arquivados do espectrógrafo NIRSpec PRISM do JWST, uma ferramenta incrivelmente poderosa que permite aos astrônomos analisar a luz em diferentes comprimentos de onda e, assim, determinar as propriedades físicas dos objetos cósmicos.
O estudo focou não apenas em Earendel, mas também em outro aglomerado estelar distinto dentro da mesma galáxia Sunrise, denominado “1b”. A galáxia Sunrise, por si só, é um laboratório cósmico, conhecida por abrigar múltiplos aglomerados estelares compactos com densidades de superfície estelar excepcionais (superiores a 10^4 massas solares por parsec quadrado), tanto em idades jovens (menos de 10 milhões de anos) quanto em idades mais avançadas. De fato, galáxias fortemente lensed revelaram uma abundância de aglomerados estelares de alta densidade, que são raros em nosso “quintal cósmico”, mas podem ser indicadores de formação estelar vigorosa, possivelmente mais comum no Universo de alto desvio para o vermelho. Mais importante ainda, esses aglomerados podem ser os progenitores dos aglomerados globulares observados localmente em galáxias como a Via Láctea, cuja origem e evolução ainda não são totalmente compreendidas.
A espectroscopia UV-óptica profunda desses aglomerados é escassa, especialmente para aglomerados com idades superiores a 10 milhões de anos. No desvio para o vermelho da galáxia Sunrise, os dados do NIRSpec do JWST cobrem o ultravioleta (UV) e o óptico de Earendel, além de outras aglomerações estelares na galáxia que já são amplamente aceitas como aglomerados estelares. Isso torna Earendel e a galáxia Sunrise ativos valiosos para avançar nosso entendimento dos aglomerados estelares de alto desvio para o vermelho.
A equipe de pesquisa utilizou quatro espectros do JWST NIRSpec na galáxia Sunrise: para Earendel, para a imagem 1b, para a imagem 1a (uma contra-imagem de 1b), e para uma das regiões de formação estelar ao longo do arco da galáxia Sunrise. O espectro da região de formação estelar foi crucial para determinar o desvio para o vermelho espectroscópico da galáxia Sunrise, que foi fixado em z = 5.926 ± 0.013. Este valor é consistente com a quebra da série Lyman, observada espectroscopicamente no contínuo estelar de outros nós dentro da galáxia, como Earendel e 1a/b.
Ajustando Modelos de Populações Estelares Simples (SSPs)
O coração da metodologia do estudo reside no ajuste de distribuição de energia espectral (SED). Para inferir os parâmetros físicos de Earendel e do aglomerado 1b, os pesquisadores ajustaram modelos de populações estelares simples (SSPs) aos espectros observados do NIRSpec. Um SSP representa uma população de estrelas que se formaram todas ao mesmo tempo, a partir da mesma composição química, e evoluem juntas. Essa abordagem é apropriada para um aglomerado estelar individual.
Para garantir a robustez de seus resultados e contabilizar as incertezas inerentes aos modelos de população estelar, a equipe utilizou três bibliotecas SSP proeminentes e bem estabelecidas:
- BPASS (Bin-ary Population and Spectral Synthesis): Esta biblioteca é notável por incluir a evolução de estrelas binárias, o que é um aspecto crucial da evolução estelar.
- BC03 (Bruzual & Charlot 2003): Um dos modelos SSP mais amplamente utilizados na astrofísica.
- FSPS (Flexible Stellar Population Synthesis): Este modelo utiliza isócronas MIST e uma biblioteca estelar empírica MILES.
Ao utilizar múltiplas bibliotecas, os pesquisadores puderam testar a consistência de suas inferências e identificar possíveis vieses sistemáticos associados a cada modelo. Os ajustes foram realizados permitindo que a idade da população variasse livremente de 1 milhão de anos a 1 bilhão de anos (aproximadamente a idade do Universo nesse desvio para o vermelho), e a metalicidade fosse otimizada em uma ampla gama. A metalicidade em astronomia refere-se à abundância de elementos mais pesados que hidrogênio e hélio. Estrelas e aglomerados com baixa metalicidade são considerados “pobres em metais” e geralmente são mais antigos, formados quando o Universo tinha menos desses elementos.
O processo de ajuste também incluiu componentes nebulares (gás ionizado), lei de avermelhamento de poeira interestelar (ISM) e até mesmo um termo de escala de ruído para mitigar a subestimação de incertezas nos dados do JWST. É importante notar que a equipe optou por ajustar apenas o espectro do NIRSpec em vez de realizar um ajuste conjunto fotométrico-espectroscópico, devido a tensões entre medições fotométricas anteriores e o contínuo espectroscópico para Earendel.
Os Resultados: Earendel, um Aglomerado Metálico-Pobre e de Idade Intermediária
Os resultados do ajuste do SED são notavelmente consistentes e revelam uma nova imagem para Earendel. O espectro de Earendel é altamente consistente com o de um SSP em todas as três bibliotecas, produzindo ajustes comparáveis. De forma tranquilizadora, o mesmo procedimento de ajuste para o espectro de 1a (a contra-imagem de 1b) rendeu resultados comparáveis aos de 1b, reforçando a robustez da metodologia.
Para ambos os objetos, Earendel e 1b, os pesquisadores inferiram um aglomerado estelar de idade evoluída e metálico-pobre. As idades estimadas variam de aproximadamente 30 a 150 milhões de anos. Isso os torna aglomerados de “idade intermediária” no contexto do Universo primitivo, pois já passaram da fase mais jovem e ativa de formação estelar. A metalicidade inferida para ambos é notavelmente baixa: Z ≲ 10% da metalicidade solar (Z⊙), e dependendo do modelo SSP, pode ser tão baixa quanto Z ≲ 1% da solar. Isso significa que essas populações estelares são compostas por estrelas com significativamente menos elementos pesados do que nosso Sol, indicando que elas se formaram em uma época anterior na história do Universo, quando a “química” cósmica era mais primitiva.
A baixa metalicidade é um achado chave, influenciado principalmente pela forma do contínuo espectroscópico, como as inclinações UV e ópticas e a clara quebra de Balmer (uma mudança acentuada no brilho da luz estelar em um determinado comprimento de onda, que é um indicador de idade e metalicidade) observada em ambos os espectros. Testes adicionais confirmaram que essa quebra de Balmer é uma característica definidora para as inferências de metalicidade nessas idades intermediárias.
Além disso, os resultados indicam uma massa estelar magnificada de cerca de 10^9 massas solares (μM⊙) para Earendel e 1b, e um mínimo avermelhamento por poeira do meio interestelar (AV < 0.1 mag). A baixa quantidade de poeira e a falta de emissão nebular proeminente são consistentes com a expectativa de que aglomerados estelares mais evoluídos, como Earendel e 1b, são praticamente desprovidos de gás, pois o feedback de estrelas massivas (como ventos estelares e explosões de supernovas) tipicamente expulsa a maior parte do gás do aglomerado nos primeiros 10-20 milhões de anos de sua vida.
Densidades Estelares Incríveis
A galáxia Sunrise já era conhecida por abrigar alguns dos aglomerados com as maiores densidades de superfície estelar observadas. Com base nas massas estelares espectroscopicamente derivadas (que são maiores do que as estimadas anteriormente por E. Vanzella et al. 2023 devido às idades mais avançadas inferidas), a equipe estimou a densidade de superfície estelar de 1b em aproximadamente 1.3 × 10^6 massas solares por parsec quadrado.
Para Earendel, a determinação da densidade de superfície estelar é mais complexa devido às incertezas na magnificação e no tamanho. No entanto, considerando uma faixa de magnificaçãos tangenciais e radiais, e assumindo as massas estelares inferidas, a equipe calculou um limite superior para a densidade de superfície estelar de Earendel em aproximadamente 3 × 10^5 a 10^6 massas solares por parsec quadrado.
Essas densidades estelares são incrivelmente altas, excedendo o “teto” de 3 × 10^5 massas solares por parsec quadrado visto em aglomerados do Universo local. Tais densidades extremas podem indicar que a formação estelar nesses aglomerados foi “livre de feedback”, permitindo uma maior eficiência na formação de estrelas e, consequentemente, densidades estelares mais altas. Isso tem implicações para os modelos de formação de aglomerados estelares e para a evolução de galáxias no Universo primitivo.
Progenitores de Aglomerados Globulares: Ligando o Universo Antigo ao Moderno
Um dos achados mais empolgantes deste estudo é a forte evidência de que Earendel e 1b são consistentes com a sequência idade-metalicidade observada em aglomerados globulares (GCs) nas galáxias locais, como a Via Láctea e as Nuvens de Magalhães. Aglomerados globulares são coleções densas e esféricas de milhões de estrelas antigas que orbitam o halo de galáxias. Sua origem e formação têm sido um mistério para os astrônomos por décadas.
A idade cósmica de formação e a baixa metalicidade de Earendel e 1b se encaixam bem nas previsões da relação idade-metalicidade de aglomerados (AMR) para galáxias semelhantes à Via Láctea, Grande Nuvem de Magalhães (LMC) e Pequena Nuvem de Magalhães (SMC), conforme previsto por simulações cosmológicas como E-MOSAICS. Embora Earendel e 1b mostrem a melhor concordância com halos semelhantes a SMC/LMC, a galáxia Sunrise, com sua massa estelar total estimada entre 10^8 e 10^9 massas solares, pode ser mais próxima de um halo semelhante à Via Láctea.
Essas descobertas corroboram a imagem emergente da evolução de aglomerados estelares de alto desvio para o vermelho. Earendel e 1b podem ser “primos evoluídos” de aglomerados ainda mais jovens e distantes, como os observados em “Cosmic Gems” (z~10) e “Firefly Sparkle” (z~8.3), e podem ser os precursores de aglomerados proto-globulares mais antigos vistos em desvios para o vermelho intermediários, como “Sparkler” (z~1.4) e “Relic” (z~2.5). Isso sugere uma continuidade na formação e evolução de aglomerados estelares ao longo da história cósmica, desde o Universo primitivo até os aglomerados globulares que vemos hoje.
Earendel: Estrela ou Aglomerado? O Veredito Atual
A questão central que impulsionou esta pesquisa – “É Earendel uma estrela ou um aglomerado estelar?” – parece ter sido respondida de forma convincente pelos novos dados do JWST. Enquanto trabalhos anteriores por B. Welch et al. (2022a) argumentavam que a fotometria do JWST NIRCam para Earendel era inconsistente com modelos de estrelas únicas, sendo melhor ajustada por um sistema binário de estrelas massivas, a análise espectroscópica apresentada por Pascale et al. (2025) aponta fortemente para a natureza de aglomerado estelar.
Um aglomerado estelar se encaixa naturalmente nos dados espectroscópicos, fornecendo um ajuste excepcional em todas as três bibliotecas de SSP testadas. As características físicas estimadas para o aglomerado são consistentes com as expectativas para um progenitor de aglomerado globular a z~6 e estão em concordância com os resultados de simulações de formação e evolução de aglomerados estelares. Além disso, a idade inferida para o aglomerado (30-150 milhões de anos) está em alinhamento com a não detecção de variabilidade estatisticamente significativa no brilho de Earendel ao longo de uma linha de base de 2 anos no quadro do observador. Um aglomerado evoluído como este careceria das estrelas massivas mais jovens e luminosas necessárias para que a microlente induzisse grandes flutuações de brilho.
Por outro lado, o cenário de uma única estrela ou um sistema binário enfrenta desafios. Embora um ajuste de SED de uma estrela única ou binária ao espectro do NIRSpec pudesse fornecer resultados mais consistentes com observações locais, seria difícil confirmar o cenário de estrela binária/única apenas com o espectro. Uma estrela mais quente em um sistema binário (como a estrela O com 34.000 K sugerida por Welch et al.) provavelmente apresentaria fortes características de vento estelar em emissão, como as linhas C IVλ1550 ou N IVλ1240 P Cygni, dadas as metalicidades típicas. No entanto, se o sistema fosse metálico-pobre (como Earendel se revelou), a taxa de perda de massa do vento e, portanto, a força dessas características de vento, seria muito fraca para ser detectável mesmo em espectros profundos e de alta resolução. Por sua vez, uma estrela mais fria (como a supergigante amarela/azul sugerida por Welch et al.) apresentaria características de absorção estelar, como a série Balmer ou Ca II H e K, mas essas também seriam consistentes com um aglomerado estelar evoluído consistindo de muitas estrelas mais frias sem ventos fortes.
Uma possível forma de confirmar a natureza de estrela única ou binária seria a detecção de variabilidade fotométrica induzida por microlente. A microlente ocorre quando estrelas individuais na galáxia lente se movem através da linha de visão do objeto distante, causando flutuações temporárias e previsíveis em seu brilho. No entanto, imagens de múltiplas épocas ainda não confirmaram tal variabilidade para Earendel.
Existe também um cenário menos definido de “pequeno grupo” de dezenas de estrelas. Tal grupo, para atingir a luminosidade bolométrica necessária, teria que ser um sistema jovem composto por supergigantes O e B luminosas. Contudo, tal sistema isolado não é visto no Universo local, e não está claro se ele corresponderia ao espectro observado sem um ajuste fino significativo de seus membros estelares. Além disso, a variabilidade induzida por microlente seria mensurável, e as características de vento estelar poderiam ser detectáveis se o sistema não fosse metálico-pobre. Dado que Earendel é metálico-pobre e não mostra variabilidade, a hipótese do aglomerado estelar se torna ainda mais robusta.
Implicações e o Futuro da Exploração com o JWST
Este estudo representa um marco significativo, sendo a primeira vez que um ajuste espectroscópico de aglomerados estelares evoluídos, cobrindo desde o UV até o óptico, é realizado em tais desvios para o vermelho. Estudos anteriores tipicamente dependiam de linhas de emissão nebular (úteis apenas para idades muito jovens) ou unicamente de fotometria para determinar as características de aglomerados estelares de alto desvio para o vermelho.
Embora o estudo não encontre um acordo completo entre as três bibliotecas SSP utilizadas em todas as inferências de parâmetros (especialmente para as idades mais precisas), a baixa metalicidade e as idades intermediárias inferidas são resultados consistentemente robustos. O fato de que esses aglomerados são extremamente tênues (magnitude F200W de aproximadamente 27 AB mag) e, ainda assim, puderam ser caracterizados espectroscopicamente, demonstra o imenso poder do JWST. Isso sugere que análises espectroscópicas de aglomerados estelares evoluídos em outras galáxias lensed de alto desvio para o vermelho são não apenas viáveis, mas essenciais para nossa compreensão do Universo primordial.
O futuro da pesquisa envolverá observações em comprimentos de onda mais vermelhos, que poderiam ajudar a refinar as estimativas de idade e metalicidade. Especificamente, a observação da ampla característica de opacidade H- fotométrica de 1.6 μm poderia ser usada para datar aglomerados estelares na faixa de idade de mais de 10 milhões de anos, devido à presença de supergigantes vermelhas em tempos iniciais e, posteriormente, gigantes vermelhas e estrelas do ramo assintótico de gigantes. Essa característica é mais aparente em baixas metalicidades e é ampla o suficiente para ser identificável fotometricamente com imagens do JWST MIRI.
Em resumo, a revelação de que Earendel é, na verdade, um aglomerado estelar antigo e metálico-pobre, e não uma estrela individual, é uma peça crucial no quebra-cabeça da formação e evolução galáctica. Ela nos aproxima da compreensão de como os aglomerados globulares, componentes fundamentais das galáxias modernas, começaram sua jornada no Universo primitivo. Esta descoberta destaca mais uma vez o poder inigualável do Telescópio Espacial James Webb em desvendar os segredos mais profundos e distantes de nosso cosmos.
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