Um novo estudo liderado por Cosmin Ilie, professor assistente de física e astronomia na Colgate, em colaboração com Jillian Paulin ’23 da Penn, Andreea Petric do Space Telescope Science Institute e Katherine Freese da Universidade do Texas em Austin, propõe uma ideia que poderia resolver três grandes mistérios dos primeiros dias do universo. Os investigadores acreditam que as estrelas escuras podem ajudar a explicar o surgimento de galáxias “monstros azuis” inesperadamente brilhantes, a existência precoce de buracos negros gigantes e os estranhos objetos conhecidos como “pequenos pontos vermelhos” vistos em imagens do Telescópio Espacial James Webb (JWST).
As primeiras estrelas formaram-se em regiões dominadas pela matéria escura, particularmente nos centros de pequenas estruturas de matéria escura chamadas microhalos. Centenas de milhões de anos-luz após o Big Bang, a nuvem de hidrogénio e hélio arrefeceu o suficiente para começar a colapsar sob a sua própria gravidade. Este processo levou ao nascimento das primeiras estrelas e marcou o início da alvorada cósmica, um período formativo na história do universo.
Durante este período, as condições podem ter permitido a formação de um tipo raro de estrela. Estas estrelas são alimentadas não apenas pela fusão nuclear, mas também pela energia libertada quando as partículas de matéria escura se aniquilam. Estes objetos, conhecidos como estrelas escuras, podem crescer até tamanhos enormes e evoluir naturalmente para sementes que depois se tornam buracos negros supermassivos.
JWST revela galáxias iniciais inesperadas
O Telescópio Espacial James Webb observou agora o objeto mais distante já observado, proporcionando uma visão sem precedentes do universo primitivo. As observações desafiam teorias de longa data sobre como as primeiras estrelas e galáxias se formaram. Uma das descobertas mais surpreendentes é um grande número de galáxias conhecidas como “monstros azuis”. Estas galáxias são muito brilhantes, muito compactas e quase não contêm poeira.
Antes do JWST, nenhuma simulação ou modelo teórico previa que galáxias com essas propriedades deveriam ter existido no início da história do universo. A sua descoberta obriga os astrónomos a repensar a taxa de formação de estrelas e galáxias.
Buraco negro supermassivo e pequeno ponto vermelho
Os dados do Telescópio Espacial James Webb também contribuem para um mistério contínuo envolvendo buracos negros supermassivos. Algumas das primeiras galáxias observadas parecem ter buracos negros muito mais antigos do que o esperado. Explicar como as sementes destes buracos negros supermassivos (SMBHs) maiores do que o esperado se formam tão rapidamente continua a ser um grande desafio.
Além disso, o JWST revelou uma nova classe de objetos compactos chamados Little Red Dots (LRDs). Estas fontes sem poeira datam do início do Universo e são invulgares porque emitem pouca ou nenhuma radiação de raios X, algo que os astrónomos não esperavam com base nos modelos existentes.
Por que os modelos atuais ficam aquém
Tomados em conjunto, as Galáxias Monstro Azuis, os primeiros buracos negros supermassivos e o Pequeno Ponto Vermelho demonstram que as teorias pré-JWST sobre a formação inicial de galáxias e buracos negros eram profundamente falhas. As descobertas sugerem que os modelos amplamente aceitos exigem atualizações significativas para explicar o que o JWST está vendo atualmente.
“Alguns dos mistérios mais importantes levantados pelos dados do Cosmic Dawn do JWST são, na verdade, características da teoria da estrela escura”, disse Ely.
Evidências crescentes de estrelas escuras
Embora as estrelas escuras ainda não tenham sido confirmadas através de observação direta, este novo estudo reforça a evidência da sua existência. Baseia-se em candidatas a estrelas escuras fotométricas e espectroscópicas identificadas em dois projetos separados Anais da Academia Nacional de Ciências Os estudos serão publicados em 2023 e 2025, respectivamente.
Os autores detalham como as estrelas escuras explicam as propriedades das galáxias monstruosas azuis, a Pequena Mancha Vermelha e as primeiras galáxias com buracos negros gigantes. O artigo também apresenta análises espectroscópicas atualizadas, relatando evidências de características únicas de absorção de hélio no espectro JADES-GS-13-0. Características semelhantes foram encontradas anteriormente em JADES-GS-14-0.
Por que as estrelas escuras são importantes
As estrelas escuras estão entre os objetos teóricos mais interessantes da astrofísica moderna. Se confirmados, poderão fornecer uma forma de detectar diretamente as propriedades das partículas de matéria escura. Isto complementará os esforços em curso para detectar a matéria escura em experiências de laboratório aqui na Terra, seja através da detecção directa ou da geração de partículas, e ajudará a ligar as observações do universo à física fundamental.
