As primeiras estrelas iluminaram o universo durante o Amanhecer Cósmico e puseram fim às “eras escuras” cósmicas que se seguiram ao Big Bang. No entanto, a distribuição de sua massa é um dos grandes mistérios não resolvidos do cosmos. Simulações numéricas da formação das primeiras estrelas estimam que a massa das primeiras estrelas chegou a várias centenas de massas solares. Entre elas, as primeiras estrelas com massas entre 140 e 260 massas solares acabaram como supernovas de instabilidade de pares (PISNe).
As PISNe são bastante diferentes das supernovas comuns (ou seja, supernovas Tipo II e Tipo Ia) e teriam impresso uma assinatura química única na atmosfera das estrelas da próxima geração. No entanto, nenhuma assinatura desse tipo havia sido encontrada. Até agora.
Um novo estudo liderado pelo Prof. Zhao Gang, dos Observatórios Astronômicos Nacionais da Academia Chinesa de Ciências (NAOC), identificou uma estrela quimicamente peculiar (LAMOST J1010+2358) no halo galáctico como evidência clara da existência de PISNe de primeiras estrelas muito massivas no início do universo. Esta descoberta foi baseada na pesquisa do Telescópio Espectroscópico de Fibra Multi-Objeto de Grande Área do Céu (LAMOST) e em observações de espectro de alta resolução de acompanhamento pelo Telescópio Subaru. Foi confirmado que esta estrela foi formada na nuvem de gás dominada pelos restos de uma PISN com 260 massas solares.
A equipe de pesquisa realizou uma observação espectroscópica de alta resolução de acompanhamento para J1010+2358 com o telescópio Subaru e derivou abundâncias para mais de dez elementos. A característica mais significativa desta estrela é suas abundâncias extremamente baixas de sódio e cobalto. Sua relação sódio-ferro é menor que 1/100 do valor solar. Esta estrela também exibe uma variação de abundância muito grande entre os elementos com números de carga ímpares e pares, como sódio/magnésio e cobalto/níquel.
“A peculiar variação ímpar-par, juntamente com deficiências de sódio e elementos alfa nesta estrela, são consistentes com a previsão de PISN primordial de estrelas da primeira geração com 260 massas solares”, disse o Dr. Xing Qianfan, primeiro autor do estudo.
A descoberta de J1010+2358 é uma evidência direta da instabilidade hidrodinâmica devido à produção de pares de elétrons-pósitrons na teoria da evolução de estrelas muito massivas. A criação de pares de elétrons-pósitrons reduz a pressão térmica dentro do núcleo de uma estrela muito massiva e leva a um colapso parcial.
“Isso fornece uma pista essencial para restringir a função de massa inicial no início do universo”, disse o Prof. Zhao Gang, autor correspondente do estudo. “Antes deste estudo, nenhuma evidência de supernovas de estrelas tão massivas foi encontrada nas estrelas pobres em metais.”
Além disso, a abundância de ferro da LAMOST J1010+2358 ([Fe/H] = -2,42) é muito maior do que as estrelas mais pobres em metais no halo galáctico, sugerindo que as estrelas de segunda geração formadas no gás dominado pela PISN podem ser mais ricas em metais do que o esperado.
“Um dos santos graais da busca por estrelas pobres em metais é encontrar evidências para essas primeiras supernovas de instabilidade de pares”, disse o Prof. Avi Loeb, ex-presidente do Departamento de Astronomia da Universidade de Harvard.
O Prof. Timothy Beers, presidente da astrofísica na Universidade de Notre Dame, comentou sobre os resultados, “Este artigo apresenta o que é, para meu conhecimento, a primeira associação definitiva de uma estrela do halo galáctico com um padrão de abundância originário de uma PISN.”
A descoberta da assinatura química de uma supernova de instabilidade de pares em uma estrela do halo galáctico é um marco importante na nossa compreensão do universo primitivo. Ela nos ajuda a entender melhor a formação das primeiras estrelas e a evolução subsequente do universo. Este estudo é um lembrete de que ainda há muito a aprender sobre o cosmos e que cada nova descoberta nos leva um passo mais perto de desvendar os mistérios do universo.
Referência: Zhao Gang et al, A metal-poor star with abundances from a pair instability supernova, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06028-1, https://www.nature.com/articles/s41586-023-06028-1
Nota: Este post é uma tradução e adaptação do artigo original publicado no site Phys.org. Para mais detalhes e informações, consulte o artigo original (link acima).
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