As primeiras estrelas: elas podem ter surgido antes do que pensávamos

Do artigo Evidências experimentais do Big Bang, de nossa série sobre o Modelo Cosmológico Padrão, sabemos que os elementos químicos mais leves da natureza são o hidrogênio (H), o hélio (He) e o lítio (Li). Eles foram os únicos que, durante a nucleossíntese do Big Bang, surgiram em quantidades substanciais.

Logo após o Big Bang, esses elementos predominavam no ambiente sob a forma de íons - átomos com carga elétrica positiva ou negativa (cátions e ânions, respectivamente, resultantes da perda ou ganho de um ou mais elétrons).

Isso ocorreu antes de a temperatura cair o suficiente para que acontecessem as recombinações que formaram átomos neutros, processo que levou cerca de 380 mil anos. Devido ao seu alto potencial de primeira ionização (ou energia de ionização, que reflete a facilidade ou dificuldade de um átomo perder um elétron), o hélio foi o primeiro a se tornar neutro e a participar de reações químicas.

A primeira molécula da história do Universo surgiu justamente da ligação de um átomo de hélio com um íon hidrogênio (H⁺, que na prática é um próton, ou seja, um átomo de hidrogênio que perdeu seu único elétron), formando o HeH⁺ (íon hidreto de hélio ou helônio), que em 2019 foi detectado no espaço pelo observatório SOFIA.

Esse foi o início de uma sequência de reações que levou à formação do hidrogênio molecular (H₂) - a molécula mais abundante no Universo. Entre a era da recombinação e o surgimento das primeiras estrelas, a predominância de hidrogênio neutro absorvia radiação e impedia a passagem da luz, caracterizando a chamada Era das Trevas Cósmica.

A teoria mais aceita até pouco tempo indicava que a "alvorada cósmica", quando as estrelas brilharam pela primeira vez, teria ocorrido por volta de 300 milhões de anos após o Big Bang. No entanto, observações recentes do "Telescópio Espacial James Webb mostraram que, nessa época, já existiam galáxias inteiramente formadas, muito luminosas e abrigando buracos negros extremamente massivos. Como isso é possível?

Um novo estudo, publicado digitalmente na Astronomy & Astrophysics em 24 de julho, propõe uma explicação para esse aparente paradoxo. Os resultados, obtidos a partir de colisões de partículas em condições semelhantes às do Universo primordial, indicam que as reações que levaram à formação das primeiras estrelas ocorreram mais rapidamente do que se pensava.

A pesquisa, conduzida por cientistas do Instituto Max Planck de Astrofísica no acelerador de partículas da instituição (MPIK), em Heidelberg, combina experimentos de colisão com modelos teóricos robustos, reproduzindo em laboratório cenários compatíveis com o início do Universo.

No experimento, foi usado o Anel de Armazenamento Criogênico (CSR) do MPIK - um instrumento único no mundo para investigar reações moleculares e atômicas em condições semelhantes às do espaço.

Na fase inicial do Universo, moléculas simples como HeH⁺ e H₂ foram cruciais para o surgimento das estrelas. Para que uma protoestrela se torne uma estrela de fato, é preciso que o gás original perca calor, permitindo que sua gravidade vença a pressão interna. O HeH⁺, graças às suas propriedades de resfriamento, favorece essa dissipação térmica e aumenta a taxa de colisões entre átomos e moléculas no meio primordial.

Até recentemente, acreditava-se que, abaixo de cerca de 10 milhões de graus Celsius, essas reações ocorreriam de forma muito mais lenta - o que agora é contestado.

No novo estudo, os pesquisadores resfriaram moléculas de HeH⁺ até -267 °C e as fizeram colidir com átomos de deutério neutro. Mesmo em temperaturas tão baixas, a taxa de colisões permaneceu elevada. Mais que isso: o HeH⁺ acelerou significativamente o processo.

A conclusão é que as estrelas provavelmente começaram a se formar muito antes do que se estimava, embora não seja estimada uma data precisa para isso, o que dependerá de novas simulações e comparações com observações astronômicas.

Todavia, o trabalho ajuda a resolver questões cruciais da Cosmologia, como o fato de já existirem galáxias maduras na época em que, segundo os modelos anteriores, as primeiras delas ainda estariam nascendo. Além disso, abre caminho para uma revisão mais ampla da química do Universo primordial.