JWST pode ter encontrado as primeiras estrelas do Universo alimentadas por matéria escura

“Estrelas escuras supermassivas são nuvens extremamente brilhantes, gigantes, mas fofas, feitas principalmente de hidrogênio e hélio, que são sustentadas contra o colapso gravitacional pelas pequenas quantidades de matéria escura autoaniquiladora dentro delas”, disse Ilie. Estrelas escuras supermassivas e seus remanescentes de buracos negros podem ser a chave para resolver dois enigmas astronômicos recentes: i. as galáxias maiores do que o esperado, extremamente brilhantes, mas compactas e muito distantes, observadas com o JWST, e ii. a origem dos buracos negros supermassivos que alimentam os quasares mais distantes observados.

Katherine Freese propôs pela primeira vez a ideia de estrelas escuras com Doug Spolyar e Paolo Gondolo, publicando seu artigo inicial revisado por pares sobre o conceito em Cartas de revisão física em 2008. Esse estudo descreveu como as estrelas escuras podem crescer e eventualmente colapsar em buracos negros supermassivos no universo primitivo. Em 2010, Freese, Ilie, Spolyar e seus colaboradores expandiram a teoria em O Jornal Astrofísicodescrevendo dois processos possíveis que poderiam permitir que estrelas escuras atingissem tamanhos imensos e prevendo que poderiam semear os buracos negros encontrados nos primeiros quasares conhecidos.

Pensa-se que a matéria escura constitui cerca de um quarto do universo, mas a sua natureza continua a ser um dos maiores mistérios da ciência. Os pesquisadores acreditam que ele é composto por um tipo de partícula elementar ainda não detectada. Décadas de experimentos procuraram essas partículas, mas até agora sem sucesso. Uma possibilidade importante envolve partículas massivas de interação fraca (WIMPs). Quando dois WIMPs colidem, espera-se que se aniquilem, libertando energia que poderia aquecer nuvens de hidrogénio em colapso e fazê-las brilhar como estrelas escuras e brilhantes.

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. Estas regiões são também onde se esperava que a primeira geração de estrelas normais aparecesse.

“Pela primeira vez, identificamos candidatas espectroscópicas a estrelas escuras supermassivas no JWST, incluindo os primeiros objetos no redshift 14, apenas 300 milhões de anos após o Big Bang”, disse Freese, Jeff e Gail Kodosky Endowed Chair in Physics e diretor do Instituto Weinberg e do Centro de Cosmologia e Física de Astropartículas do Texas na UT Austin. “Pesando um milhão de vezes mais que o Sol, essas primeiras estrelas escuras são importantes não apenas para nos ensinar sobre a matéria escura, mas também como precursoras dos primeiros buracos negros supermassivos vistos no JWST, que de outra forma seriam tão difíceis de explicar.”

Em um 2023 PNAS No estudo de Ilie, Paulin e Freese, os primeiros candidatos a estrelas 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 tornaram-se disponíveis para esses e alguns 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 descobriu 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 seria uma estrela supermassiva muito distante. As outras três são extremamente compactas e podem ser modeladas por estrelas escuras supermassivas que alimentam uma nebulosa (isto é, gás H e He ionizado que rodeia a estrela). Cada um dos quatro objetos analisados ​​neste estudo também é consistente com uma interpretação de galáxia, conforme mostrado na literatura. As estrelas escuras têm uma assinatura fumegante, uma característica de absorção em 1640 Angstrom, devido às grandes quantidades de hélio individualmente ionizado em suas atmosferas. E de fato, um dos quatro objetos analisados ​​apresenta indícios dessa característica.

“Um dos momentos mais emocionantes durante esta pesquisa foi quando descobrimos a queda de absorção de 1640 Angstrom no espectro de JADES-GS-z14-0. Embora a relação sinal-ruído desta característica seja relativamente baixa (S/N~2), é pela primeira vez que encontramos uma potencial assinatura fumegante de uma estrela escura. O que, por si só, é notável”, disse Ilie.

Os astrónomos utilizaram o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para medir o espectro do mesmo objeto, revelando a presença de oxigénio, através de uma linha de emissão nebular. Os investigadores disseram que se ambas as características espectrais forem confirmadas, o objeto não pode ser uma estrela escura isolada, mas sim uma estrela escura incorporada num ambiente rico em metal. Este 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 regulares poderiam ter-se formado no mesmo halo hospedeiro, como os investigadores agora perceberam que é possível.

A identificação de estrelas escuras supermassivas abriria a possibilidade de aprender sobre as partículas de matéria escura com base nas propriedades observadas desses objetos e estabeleceria um novo campo da astronomia: o estudo de estrelas movidas a matéria escura. Isto publicado PNAS a pesquisa é um passo fundamental nessa direção.

Agradecimentos de financiamento: Esta pesquisa foi possível graças ao financiamento generoso das seguintes agências: Colgate University Research Council, The Picker Interdisciplinary Sciences Institute, programa Office of High Energy Physics do Departamento de Energia dos EUA, Swedish Research Council, LSST Discovery Alliance, Brinson Foundation, WoodNext Foundation e Research Corporation for Science Advancement Foundation.