As Primeiras Estrelas do Universo: Uma Nova Perspectiva!

Sabe aquelas primeiras estrelas do universo? Aquelas que surgiram logo depois do Big Bang e acenderam o cosmos? Pois é, uma nova simulação superpoderosa está nos mostrando que a história delas pode ser bem diferente do que a gente imaginava!

Imagina só: o universo era tipo uma sopa quente e escura, sem luz. Aí, de repente, começaram a surgir as primeiras estrelas, chamadas de Estrelas da População III. Elas foram as responsáveis por iluminar tudo e dar o pontapé inicial para a formação de galáxias e de tudo o que vemos hoje. Mas como elas nasceram? Eram grandonas e solitárias, ou pequenas e em grupo? Essa é a grande questão!

Observar essas estrelas é praticamente impossível, já que elas surgiram há mais de 13 bilhões de anos. É como tentar ver um piscar de olhos de uma formiga a quilômetros de distância! Mas a boa notícia é que a tecnologia nos ajuda: as simulações cosmológicas em supercomputadores conseguem recriar essas condições e nos dar uma espiadinha no passado.

Um time de cientistas usou um código de simulação supermoderno, o GIZMO, junto com dados do Projeto IllustrisTNG, para recriar o nascimento dessas primeiras estrelas. O estudo, que tem o nome de “Formação de Turbulência Supersônica na Nuvem de Formação Estelar Primordial”, foi publicado na revista _The Astrophysical Journal Letters_. O líder dessa pesquisa é o Ke-Jung Chen, um astrônomo fera lá de Taiwan.

Antes dessas estrelas aparecerem, o universo estava numa fase que a gente chama de Idade das Trevas. Pensa num quarto escuro, sem nenhuma lâmpada acesa. Era assim! O universo já tinha esfriado o suficiente para a luz viajar, mas não tinha nenhuma fonte de luz. Essa fase durou uns milhões de anos, até que as Estrelas da População III começaram a brilhar.

E tem um mistério gigante nessa história: a matéria escura. A gente não consegue ver a matéria escura, mas ela está lá, e é superimportante! Ela age como um tipo de “andaime” invisível, onde as primeiras estruturas do universo, como as galáxias e as estrelas, se formaram. Os cientistas queriam saber como esses “mini-halos” de matéria escura se juntaram e como as nuvens de gás primordial se comportaram para formar as estrelas. E as simulações ajudaram a desvendar isso!

Os pesquisadores fizeram simulações superdetalhadas, focando em como as nuvens de gás que formaram as primeiras estrelas evoluíram dentro desses mini-halos de matéria escura. Eles usaram o código GIZMO, que é tipo um simulador de última geração, para entender como o gás primordial se resfriava e se transformava.

Ao contrário de estudos anteriores, que simulavam uma área menor do universo, essa pesquisa usou dados de simulações em larga escala, o IllustrisTNG, que abrange uma área gigantesca do cosmos. Isso permitiu que eles tivessem uma visão muito mais completa do processo.

O IllustrisTNG é uma simulação bem famosa e usada no mundo da astronomia. Para deixar a simulação ainda mais precisa, os cientistas usaram uma técnica chamada “divisão de partículas”, que é como dar um zoom gigante para ver os detalhes. Com isso, eles conseguiram acompanhar o movimento do gás nas nuvens com uma precisão incrível, chegando a frações de um parsec (que é uma medida de distância enorme no espaço!).

“A gente conseguiu aumentar a resolução original do IllustrisTNG em umas 100 mil vezes!” explicou o autor principal. “Isso nos permitiu ver a turbulência causada pela gravidade durante a formação das primeiras estruturas do universo.”

A simulação começa com um mini-halo de matéria escura, e mostra o gás caindo nessa “armadilha” gravitacional. O gás entra em alta velocidade e se acumula em pontos específicos, formando uma nuvem densa com estruturas gasosas finas. Conforme o gás caía, ele se movia cinco vezes mais rápido que a velocidade do som, criando uma turbulência supersônica. Pensa numa cachoeira de gás cósmico, mas muito, muito mais rápida! Esse gás então começa a girar em direção ao centro.

Essa turbulência superveloz fez com que a nuvem se dividisse em vários pedaços densos de gás primordial. E o mais legal é que, em vez de atrapalhar a formação das estrelas, essa turbulência pareceu ajudar! Um desses pedaços está pronto para formar uma estrela com cerca de 8 vezes a massa do nosso Sol.

“Essa evolução mostra que o gás se acumula de forma bem irregular e desigual, formando estruturas aglomeradas, que provavelmente são moldadas pelas forças gravitacionais do halo de matéria escura que está se formando”, explicaram os autores.

“Essa é a primeira vez que conseguimos ver todo o desenvolvimento da turbulência nas fases iniciais da formação das primeiras estrelas”, disse Chen. “Isso mostra que movimentos violentos e caóticos não só estavam presentes, como foram cruciais para moldar as primeiras estrelas.”

Os astrônomos sempre se perguntaram sobre as Estrelas da População III. Algumas pesquisas mostravam que elas se formavam como estrelas solitárias e gigantescas, num processo bem tranquilo. Mas essas novas simulações mostram que as nuvens de gás eram “quebradas” em pedaços, e que as estrelas da População III eram mais numerosas e menos massivas do que se pensava.

Esses resultados podem explicar um mistério que intrigava os cientistas. Se as estrelas da População III fossem tão massivas quanto se imaginava, muitas delas teriam explodido como supernovas, deixando “digitais químicas” de metais na próxima geração de estrelas, as mais antigas que podemos observar.

Mas, embora os pesquisadores tenham encontrado algumas pistas desses metais, nunca acharam provas concretas. Se essas simulações estiverem certas, a gente não vê essas digitais químicas porque as primeiras estrelas não eram tão massivas e raramente explodiam como supernovas.

“Nossos resultados sugerem que a formação das primeiras estruturas do universo pode gerar naturalmente turbulência supersônica, que é superimportante para moldar as nuvens de gás primordial e controlar o tamanho das estrelas da População III”, escreveram os autores na conclusão.

Essas simulações de alta resolução abrem uma nova janela para o universo primordial. Se as estrelas da População III não eram tão massivas quanto se pensava, isso muda nossa forma de entender como tudo aconteceu. Modelos teóricos mostram que essas estrelas teriam massas entre 80 e 260 massas solares, e que elas morreriam como supernovas de instabilidade de pares.

Mas esses tipos de supernovas deixam “assinaturas” únicas que ainda não foram observadas. Essas simulações sugerem que a razão pela qual essas assinaturas não existem é porque nossas teorias estão erradas e precisam ser atualizadas.

“Essa simulação é um grande passo para conectar a formação de estruturas cósmicas em larga escala com os processos microscópicos que governam o nascimento das estrelas”, disse Chen.

“Ao descobrir o papel da turbulência, estamos um passo mais perto de entender como o amanhecer cósmico começou.”

Mais informações: Ke-Jung Chen et al, Formação de Turbulência Supersônica na Nuvem de Formação de Estrela Primordial, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/adf18d