Por décadas, astrônomos espiando através do Hubble tentaram vislumbrar as primeiras estrelas do Universo acendendo-se. As pequenas galáxias que construíram o cosmos, no entanto, eram muito fracas para serem detectadas - mesmo pelos instrumentos mais sofisticados. Agora, os astrônomos finalmente têm duas coisas a seu favor: o Telescópio Espacial Webb e um pouco de sorte cósmica.
Em um artigo recente na Nature, uma equipe liderada por Kimihiko Nakajima na Universidade de Kanazawa, Japão, usou o Telescópio Espacial James Webb para observar uma galáxia ultrafraca chamada LAP1-B como ela existia cerca de 800 milhões de anos após o Big Bang. É a galáxia mais quimicamente primitiva que já vimos - o que é dizer muito, dado quantas coisas primitivas já avistamos.
LAP1-B está a 13 bilhões de anos-luz de distância. Mesmo os enormes espelhos de berílio revestidos de ouro do JWST não foram suficientes sozinhos. A equipe a avistou graças a um aglomerado massivo de galáxias chamado MACS J046, que distorce o espaço-tempo entre nós e LAP1-B como um espelho de parque de diversões cósmico. "A galáxia foi fortemente ampliada pelo efeito de lente gravitacional", disse Nakajima. Especificamente, o espaço-tempo distorcido aumentou o brilho de LAP1-B em cerca de 100 vezes.
Mesmo com esse aumento, LAP1-B é tão fraca que nem o JWST nem o Hubble conseguiram detectar seu contínuo estelar - a luz de fundo constante de suas estrelas. Para Nakajima e colegas, isso foi por si só uma pista. Conhecendo a distância e a sensibilidade do telescópio, eles calcularam o limite superior absoluto da massa estelar de LAP1-B: 3.300 sóis. Isso é um erro de arredondamento comparado aos cerca de 100 bilhões de massas solares da Via Láctea.
A maior parte da luz que atingiu os espelhos do JWST não vinha de estrelas, mas de gás brilhante. Examinando esse gás, a equipe percebeu que LAP1-B é a coisa mais próxima das primeiras galáxias virgens que observamos. O brilho vem da radiação de alta energia de estrelas massivas atingindo nuvens de gás interestelar ao redor, fazendo-as fluorescer. Usando o Espectrógrafo de Infravermelho Próximo do JWST, os pesquisadores dividiram a luz em um espectro e procuraram linhas de emissão indicando composição química.
"Queríamos medir quanto oxigênio estava presente", disse Nakajima. A análise revelou uma profunda escassez de elementos mais pesados que hidrogênio e hélio. A razão oxigênio-hidrogênio na fase gasosa era de apenas 0,4% do que encontramos em nosso Sol. Outro detalhe: carbono triplamente ionizado - um estado onde um átomo de carbono perde metade de seus seis elétrons. Arrancar esses elétrons requer fótons ultravioleta extremos com energias superiores a 47,9 elétron-volts. Estrelas padrão, mesmo as massivas perto de nós, não são quentes o suficiente. As estrelas que poderiam ficar tão quentes, sugere a equipe, foram as primeiras a acender no Universo - feitas exclusivamente de hidrogênio e hélio do Big Bang, sem elementos pesados para esfriar enquanto se formavam. "Tais estrelas deveriam ser formadas a partir de gás primordial", disse Nakajima.
As estrelas de hoje, incluindo nosso Sol, são População I. As mais velhas no halo galáctico são População II, com elementos pesados muito mais baixos. As estrelas de População III foram as primeiras - teorizadas como monstros violentos com massas centenas de vezes a do Sol comprimidas em pequenos volumes, queimando extremamente quentes e morrendo jovens em supernovas. A equipe de Nakajima provavelmente encontrou vestígios dessas explosões em LAP1-B.
Apesar de ser incrivelmente pobre em elementos pesados, LAP1-B tem uma razão carbono-oxigênio excepcionalmente alta - maior que a do nosso Sol. Os pesquisadores acham que a resposta está em como essas estrelas massivas de primeira geração morreram. Quando uma estrela de População III colapsa, seu núcleo se torna um buraco negro, mas a supernova não é energética o suficiente para explodir a estrela. "Sua energia de ligação gravitacional é mais forte do que nas estrelas massivas usuais", disse Nakajima. O colapso resulta em uma supernova fraca com refluxo significativo: elementos mais pesados como oxigênio são sugados para além do horizonte de eventos, enquanto camadas externas mais leves ricas em carbono escapam. A composição química de LAP1-B parece uma impressão digital do gás de supernovas de População III.
Mais uma pista: velocidade do gás. Medindo o alargamento Doppler das