A JWST pode ter descoberto as primeiras estrelas do Universo impulsionadas por matéria escura.

No início do universo

No início do universo, alguns centenas de milhões de anos após o Big Bang, as primeiras estrelas surgiram de vastas nuvens intocadas de hidrogênio e hélio. Observações recentes do Telescópio Espacial James Webb (JWST) sugerem que algumas dessas estrelas primordiais podem ter sido diferentes das estrelas conhecidas (alimentadas por fusão nuclear) que os astrônomos estudaram por séculos. Um novo estudo liderado por Cosmin Ilie, da Colgate University, juntamente com Shafaat Mahmud (Colgate ’26), Jillian Paulin (Colgate ’23), da Universidade da Pensilvânia, e Katherine Freese, da Universidade do Texas em Austin, identificou quatro objetos extremamente distantes cuja aparência e assinaturas espectrais correspondem ao que os cientistas esperam de superestrelas escuras supermassivas.

O conceito de superestrelas escuras

“Superestrelas escuras supermassivas são nuvens extremamente brilhantes, gigantes, mas fofas, compostas principalmente de hidrogênio e hélio, que são sustentadas contra o colapso gravitacional pelas pequenas quantidades de matéria escura que se aniquila dentro delas,” disse Ilie. As superestrelas escuras e os restos de buracos negros poderiam ser a chave para resolver dois enigmas astronômicos recentes: i. as galáxias compactas extremamente brilhantes e distantes observadas com o JWST que são maiores do que o esperado, e ii. a origem dos buracos negros supermassivos que alimentam os quasares mais distantes observados.

Propostas iniciais e pesquisas subsequentes

Katherine Freese propôs pela primeira vez a ideia das estrelas escuras com Doug Spolyar e Paolo Gondolo, publicando seu artigo inicial em Physical Review Letters em 2008. Esse estudo delineou como as estrelas escuras poderiam crescer e eventualmente colapsar em buracos negros supermassivos no início do universo. Em 2010, Freese, Ilie, Spolyar e seus colaboradores expandiram a teoria na The Astrophysical Journal, descrevendo dois possíveis processos que poderiam permitir que essas estrelas atingissem tamanhos imensos e preveram que poderiam gerar os buracos negros encontrados nos primeiros quasares conhecidos.

A natureza da matéria escura

A matéria escura é considerada composta por cerca de um quarto do universo, mas sua natureza permanece um dos maiores mistérios da ciência. Os pesquisadores acreditam que ela é composta por um tipo de partícula elementar ainda não detectada. Décadas de experimentos buscaram essas partículas, mas até agora sem sucesso. Uma possibilidade líder envolve as Partículas Massivas Interagindo Fracas (WIMPs). Quando duas WIMPs colidem, espera-se que se aniquilem, liberando energia que poderia aquecer nuvens de hidrogênio em colapso e fazê-las brilhar como brilhantes estrelas escuras.

Condições favoráveis para a formação de estrelas escuras

Condições algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, em regiões densas chamadas halos de matéria escura, parecem ter sido ideais para a formação de tais estrelas. Essas regiões também eram onde se esperava que a primeira geração de estrelas normais aparecesse.

Identificação de estrelas escuras supermassivas

“Pela primeira vez, identificamos candidatos a superestrelas escuras supermassivas no JWST, incluindo os primeiros objetos com redshift 14, apenas 300 milhões de anos após o Big Bang,” disse Freese, a Cátedra Endowed Jeff e Gail Kodosky em Física e diretora do Instituto Weinberg e do Centro Texas para Cosmologia e Física Astroparticular da UT Austin. “Pesando um milhão de vezes mais que o Sol, tais estrelas escuras primordiais são importantes não só para nos ensinar sobre a matéria escura, mas também como precursores dos primeiros buracos negros supermassivos vistos no JWST, que são de outra forma tão difíceis de explicar.”

Estudo de 2023 e descoberta de candidatos a estrelas escuras

Em um estudo de 2023 publicado na PNAS por Ilie, Paulin e Freese, os primeiros candidatos a superestrelas escuras (JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 e JADES-GS-z11-0) foram identificados usando dados fotométricos do instrumento NIRCam do JWST. Desde então, espectros do instrumento NIRSpec do JWST se tornaram disponíveis para esses e outros objetos extremamente distantes. A equipe, que agora também inclui Shafaat Mahmud, analisou os espectros e a morfologia de quatro dos objetos mais distantes já observados (incluindo dois candidatos do estudo de 2023): JADES-GS-z14-0, JADES-GS-z14-1, JADES-GS-13-0 e JADES-GS-z11-0 e descobriu que cada um deles é consistente com uma interpretação de superestrela escura supermassiva.

Análise das características

JADES-GS-z14-1 não está resolvido, o que significa que é consistente com uma fonte pontual, como uma estrela supermassiva muito distante poderia ser. As outras três são extremamente compactas e podem ser modeladas como superestrelas escuras alimentando uma nebulosa (ou seja, gás ionizado de H e He ao redor da estrela). Cada um dos quatro objetos analisados neste estudo também é consistente com uma interpretação de galáxia, como mostrado na literatura. Estrelas escuras têm uma assinatura característica, uma característica de absorção a 1640 Angstrom, devido às grandes quantidades de hélio ionizado em suas atmosferas. E, de fato, um dos quatro objetos analisados mostra sinais desta característica.

Descobrindo assinaturas de estrelas escuras

“Um dos momentos mais empolgantes durante essa pesquisa foi quando encontramos o dip de absorção a 1640 Angstrom no espectro de JADES-GS-z14-0. Embora a razão sinal-ruído desse recurso seja relativamente baixa (S/N~2), é a primeira vez que encontramos uma possível assinatura característica de uma estrela escura. O que, por si só, é notável,” disse Ilie.

Implicações de outras descobertas

Astrônomos usando o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) mediram o espectro do mesmo objeto, revelando a presença de oxigênio, via uma linha de emissão nebular. Os pesquisadores afirmaram que se ambos os recursos espectrais forem confirmados, o objeto não pode ser uma estrela escura isolada, mas pode ser uma estrela escura embutida em um ambiente rico em metais. Isso poderia ser o resultado de uma fusão, onde um halo de matéria escura que hospeda uma estrela escura se funde com uma galáxia. Alternativamente, estrelas escuras e regulares poderiam ter se formado no mesmo halo hospedeiro, como os pesquisadores agora perceberam que é possível.

Novas oportunidades na astronomia

A identificação de estrelas escuras supermassivas abriria a possibilidade de aprender sobre a partícula de matéria escura com base nas propriedades observadas desses objetos e estabeleceria um novo campo da astronomia: o estudo de estrelas alimentadas por matéria escura. Esta pesquisa publicada na PNAS é um passo importante nessa direção.

Agradecimentos de financiamento

Agradecimentos de Financiamento: Esta pesquisa foi possível graças ao generoso financiamento das seguintes agências: Colgate University Research Council, The Picker Interdisciplinary Sciences Institute, o programa do Escritório de Física de Alta Energia do Departamento de Energia dos EUA, Swedish Research Council, LSST Discovery Alliance, Brinson Foundation, WoodNext Foundation e Research Corporation for Science Advancement Foundation.