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 iniciais podem ter sido diferentes das estrelas familiares (alimentadas por fusão nuclear) que os astrônomos estudaram ao longo dos séculos. Um novo estudo liderado por Cosmin Ilie da Universidade Colgate, 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.
“Superestrelas escuras supermassivas são nuvens gigantescas, extremamente brilhantes, mas difusas, compostas principalmente de hidrogênio e hélio, que são sustentadas contra o colapso gravitacional por pequenas quantidades de matéria escura autoradiativa dentro delas”, disse Ilie. Superestrelas escuras supermassivas e seus remanescentes de buracos negros podem ser a chave para resolver dois recentes enigmas astronômicos: i. as galáxias extremamente brilhantes e compactas, mas maiores do que o esperado, observadas com o JWST, e ii. a origem dos buracos negros supermassivos que alimentam os quasares mais distantes já observados.
Katherine Freese foi a primeira a propor a ideia de estrelas escuras com Doug Spolyar e Paolo Gondolo, publicando seu artigo revisado por pares inicial sobre o conceito na 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 estrelas escuras alcançassem tamanhos imensos e prevendo que elas poderiam ser as precursoras dos buracos negros encontrados nos quasares mais antigos conhecidos.
A matéria escura é pensada como constituindo aproximadamente 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 têm buscado essas partículas, mas até agora sem sucesso. Uma possibilidade em destaque envolve Partículas Massivas Fracamente Interagentes (WIMPs). Quando duas WIMPs colidem, espera-se que elas se aniquilem, liberando energia que poderia aquecer núcleos de hidrogênio em colapso e fazê-los brilhar como brilhantes estrelas escuras.
As 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 são onde a primeira geração de estrelas normais era esperada para aparecer.
“Pela primeira vez, identificamos candidatos a superestrelas escuras supermassivas no JWST, incluindo os primeiros objetos a um deslocamento para o vermelho de 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 de Astropartículas na UT Austin. “Pesando um milhão de vezes mais que o Sol, tais estrelas escuras iniciais são importantes não apenas para nos ensinar sobre a matéria escura, mas também como precursoras dos primeiros buracos negros supermassivos vistos no JWST que são, de outra forma, tão difíceis de explicar.”
Em um estudo de 2023 publicado na PNAS por Ilie, Paulin e Freese, os primeiros candidatos a superestrelas escuras supermassivas (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, os 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 descobriram que cada um deles é consistente com uma interpretação de estrela escura supermassiva.
JADES-GS-z14-1 não está resolvido, o que significa que é consistente com uma fonte pontual, como uma estrela supermassiva extremamente distante seria. Os outros três são extremamente compactos e podem ser modelados como estrelas escuras supermassivas 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, conforme 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 dessa característica.
“Um dos momentos mais emocionantes durante essa pesquisa foi quando encontramos o dip de absorção a 1640 Angstrom no espectro de JADES-GS-z14-0. Embora a relação sinal-ruído dessa característica 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.
Astrônomos usando o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) mediram o espectro do mesmo objeto, revelando a presença de oxigênio, por meio de uma linha de emissão nebulosa. Os pesquisadores disseram que, se ambas as características espectrais forem confirmadas, 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 estrelas normais poderiam ter se formado no mesmo halo hospedeiro, como os pesquisadores agora perceberam que é possível.
A identificação de superestrelas 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 fundamental nessa direção.
Agradecimentos de Financiamento: Esta pesquisa foi possibilitada por generosos financiamentos das seguintes agências: Conselho de Pesquisa da Universidade Colgate, Instituto de Ciências Interdisciplinares Picker, programa de Física de Alta Energia do Departamento de Energia dos EUA, Conselho de Pesquisa da Suécia, Aliança de Descoberta LSST, Fundação Brinson, Fundação WoodNext e Fundação da Corporação de Avanço Científico.
