Astrofísica desvenda mistérios das primeiras estrelas

Descoberta de pesquisadora brasileira Beatriz Barbuy serviu de base para definir algumas das características dos astros primordiais do Universo, há muito destruídos

BeatrizBarbuyBeatriz Leonor Silveira Barbuy está há bastante tempo focada no estudo de aglomerados globulares – algumas das estruturas mais antigas da Via Láctea, compostas majoritariamente por estrelas muito velhas, formadas há cerca de 12 bilhões de anos (para efeito de comparação, estima-se que o Universo tenha 13,7 bilhões de anos). Mas em 2009, mesmo ano em que foi agraciada com o prêmio “L’ORÉAL-UNESCO 2009 para Mulheres na Ciência”, a professora titular do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (IAG-USP) fez uma descoberta surpreendente.

Barbuy encontrou um excesso de certos elementos (lantânio e bário) em estrelas do aglomerado globular NGC 6522, situado no bojo da nossa galáxia. Como o Universo era muito novo quando as estrelas desse aglomerado se formaram, não teria havido tempo suficiente para que esses elementos pesados e em excesso fossem produzidos no coração das primeiras estrelas do Universo – uma geração anterior à das componentes do aglomerado – e então semeados pela explosão de supernovas. Isso de acordo com a teoria “tradicional”.

Esse trabalho, publicado na revista britânica Nature, chamou a atenção de outra pesquisadora brasileira, Cristina Chiappini, do Instituto Leibniz para Astrofísica, em Potsdam, Alemanha. Chiappini percebeu uma ligação entre o achado observacional e um estudo teórico de cientistas do Observatório de Genebra. Todos se reuniram e, em abril de 2011, publicaram um novo artigo na Nature, apresentando um modelo capaz de explicar o excesso de elementos pesados encontrados por Barbuy. Eles só poderiam ter sido formados no tempo disponível se as estrelas massivas primordiais do Universo tivessem uma rotação acelerada.

Na entrevista a seguir, Beatriz Barbuy fala sobre sua pesquisa com as estrelas mais antigas de nossa galáxia e como contribuiu para a nova teoria de síntese de elementos pesados no início do Universo.

SBF – Qual foi a sua participação no estudo publicado na Nature em abril deste ano, sobre a rotação acelerada de estrelas massivas primordiais?
Barbuy
– Eu contribuí com toda a parte observacional, pois do grupo de teóricos que assinaram o artigo sou a única observadora e espectroscopista. Além disso, no artigo original de 2009, eu já indicava que os excessos de lantânio e bário não podiam ser atribuídos a um processo rápido de síntese. Esses elementos só poderiam ser formados num processo lento, devido ao enriquecimento a partir da matéria primordial do aglomerado ou então da proximidade com estrelas do tipo AGB (estrelas gigantes no fim de suas vidas). Foi essa parte do artigo que chamou a atenção da astrônoma brasileira Cristina Chiappini, que estava por outro lado trabalhando com o grupo do Observatório de Genebra na nucleossíntese de primeiras estrelas de alta massa, com rotação e baixa metalicidade.

SBF – Há quanto tempo você tem trabalhado nessa pesquisa?
Barbuy
– Tenho trabalhado com espectroscopia do bojo galáctico nos últimos 10 anos, desde que surgiram os telescópios com espelhos de 8 metros. Porém, tenho pouco acesso a instrumentos de alta resolução espectral nesses telescópios, e só pude obter dados através de colaborações, e num passo lento.

SBF – Qual era o objetivo de sua pesquisa?
Barbuy
– O objetivo principal da minha pesquisa consiste na busca de características das estrelas mais velhas da nossa galáxia, desde as mais pobres em metais do halo galáctico até as moderadamente pobres em metais do bojo, e que sejam assinaturas das primeiras supernovas formadas na pré-galáxia. É possível e provável que esses aglomerados do bojo sejam os primeiros objetos a terem se formado na Via Láctea.

SBF – Por que o aglomerado NGC 6522 foi a base para esse estudo?
Barbuy
– Temos uma lista de oito aglomerados, selecionados a partir de outras características, obtidos através de imagens e medidas das magnitudes das estrelas que compõem os aglomerados. Toda a amostra fica na direção do centro da nossa galáxia. O aglomerado NGC 6522 foi o terceiro deles para o qual foi possível obter dados espectroscópicos, e desses três, foi o primeiro a apresentar o excesso de bário e lantânio.

SBF – É a primeira vez que são encontrados esses elementos pesados em estrelas anciãs?
Barbuy
– Não, eles são observados em todas as estrelas velhas, mas em diferentes proporções.

SBF – Quais instrumentos foram utilizados para estudar essas estrelas?
Barbuy
– Os espectros das estrelas foram observados com o VLT - Very Large Telescope, com o instrumento FLAMES. Esse instrumento tem a capacidade de observar oito estrelas com alta resolução, obtidas com o espectrógrafo UVES, e também outras 130 estrelas com alta resolução, porém menor, com o espectrógrafo GIRAFFE. Esse instrumento é único na atualidade, pois permite obter todos esses dados simultaneamente. No artigo de 2009, as oito estrelas foram observadas com o GIRAFFE, e era apenas uma parte pequena de um projeto maior de observação de grande amostra de estrelas de campo (não pertencentes a aglomerados), em quatro regiões do bojo galáctico.

SBF – Como esse processo de fabricação de elementos pesados se dá no modelo tradicionalmente aceito?
Barbuy
– Os elementos mais pesados que o ferro são formados por adição de nêutrons a núcleos de ferro. Isso pode ocorrer num processo lento (s-process) durante a fase de queima de hélio nas camadas externas da estrela (nesse caso a queima de hélio no núcleo já terá ocorrido), em estrelas de massas intermediárias (da ordem de 3 a 8 massas solares). O outro processo rápido (r-process) ocorre na explosão de supernovas. A maioria dos elementos é formada pelos dois processos, mas no total um conta mais que o outro. Por exemplo, para o bário e o lantânio, o processo lento deve ter contribuído com 90% deles. Agora, como os elementos precisam de ferro, surgirão apenas em pequenas proporções nas estrelas mais velhas e pobres em metais. Para serem produzidos pelo processo lento, dependem da evolução das estrelas de massa intermediária, que levarão 2 bilhões de anos para fazê-lo. Assim considera-se que tais elementos nas estrelas velhas foram todos formados pelo processo rápido. No caso de NGC 6522, no entanto, a fração de bário e lantânio é muito alta com relação a elementos puramente de um processo rápido. Por isso, surgiu a ideia de que esse processo lento ocorre nas estrelas massivas de alta rotação, como única opção.

SBF – Como a rotação acelerada de estrelas massivas poderia gerar elementos mais pesados?
Barbuy
– A rotação causa mistura de gás, transportando carbono-12 da região de queima de hélio no núcleo, para a região mais exterior, rica em hidrogênio, onde é transformado em nitrogênio-14 e carbono-13. O nitrogênio-14 é então transportado de volta ao núcleo de queima de hélio, onde é convertido em neônio-22. Esse último, sendo a principal fonte de nêutrons, é responsável pelo processo lento nessas estrelas massivas.

SBF – Existe alguma diferença entre estrelas massivas atuais e aquelas formadas no início do Universo?
Barbuy
– Sim, a metalicidade era muito baixa, o que favorece a ocorrência de estrelas de alta massa, e também a rotação.

SBF – Existem outras teorias que poderiam explicar essas concentrações de lantânio e bário em estrelas velhas?
Barbuy
– Pode ser a transferência de massa sintetizada em estrelas binárias, que depois é sugada pela estrela em questão. Mas foi verificado nas oito estrelas que isso poderia ter ocorrido em algumas delas, mas não pode ser a explicação em três delas.

SBF – Como tem sido a repercussão desse estudo na comunidade científica?
Barbuy
– Ainda não muito grande. Creio que ainda estão digerindo, mas já tenho alguns convites para dar palestras sobre o assunto.

SBF – Qual o próximo passo desse estudo?
Barbuy
– Como o Brasil assinou acordo com o ESO - European Southern Observatory, neste ano podemos solicitar tempo de observação (para continuar precisa da ratificação pelo Congresso brasileiro). Esse pedido inclui estudar as mesmas oito estrelas, mas dessa vez com o espectrógrafo UVES de mais alta resolução, e outras 130 estrelas do aglomerado, com o espectrógrafo GIRAFFE. Com essa amostra muito maior será possível verificar o resultado anterior. Com a eficiência do instrumento FLAMES, todos os espectros serão obtidos em 8 horas de observações, com um dos 4 telescópios do VLT. A seguir será importante também observar os outros aglomerados do mesmo tipo, que são oito. Desses observamos três (incluindo o NGC 6522), mas em cada um deles há apenas poucas estrelas. Então, depois de observarmos os outros cinco aglomerados, tentaremos reobservar os primeiros dois deles já publicados, mas dessa vez usando o FLAMES (UVES+GIRAFFE), obtendo espectros de uma centena de estrelas.

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