Os astrónomos estão a descobrir que as primeiras gerações de galáxias nem sempre se comportam da forma como os modelos atuais prevêem. Uma possível razão é que as suas estrelas mais massivas podem ter evoluído de forma muito diferente das estrelas gigantes da Galáxia moderna.
Uma nova pesquisa liderada pela Universidade de Utah está usando o Telescópio Espacial Hubble para investigar essas diferenças. O projeto, conhecido como Tesouro de Estrelas O Extremamente Pobres em Metal (TEMPOS), baseia-se em medições ultravioleta (UV) do Espectrógrafo de Origens Cósmicas (COS) do Hubble para investigar estrelas massivas em galáxias próximas que se assemelham a ambientes encontrados no Universo primitivo.
O conjunto de dados TEMPOS invulgarmente grande poderá permitir aos investigadores melhorar os modelos de estrelas massivas e compreender melhor como estes objetos poderosos afetam as galáxias jovens. Este trabalho está a tornar-se cada vez mais importante à medida que o Telescópio Espacial James Webb, lançado em 2021, continua a descobrir galáxias inesperadamente complexas da história inicial do Universo.
“Webb abre muitas novas questões sobre a evolução destas galáxias primitivas – elas são estranhas”, disse Grace Telford, autora principal do estudo e professora assistente no Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Utah. “Essa é a motivação científica por detrás do programa TEMPOS: ajudar a compreender o que se passa nestas primeiras galáxias.”
A pesquisa foi publicada em 21 de setembro de 2026 Série de suplementos de revistas astrofísicas.
Estrelas enormes moldam galáxias inteiras
Estrelas com mais de 10 vezes a massa do Sol são incomuns, mas sua influência pode se estender por toda a galáxia. Emitem enormes quantidades de radiação, perdem constantemente material através de ventos estelares e eventualmente terminam as suas vidas em explosões de supernovas.
“Eles queimam muito quente, brilhante e rápido, e terminam suas curtas vidas como explosões de supernovas que depositam muita energia e material no gás circundante”, disse Telford. “Eles controlam a evolução das suas galáxias hospedeiras aquecendo e controlando essencialmente o gás que fica então disponível para arrefecer e formar novas estrelas.”
Uma grande diferença entre as galáxias primitivas e as galáxias atuais é a sua composição química. Os astrônomos usam a metalicidade para descrever a quantidade de elementos mais pesados que o hidrogênio e o hélio presentes em uma estrela ou galáxia.
As primeiras galáxias produziam muito menos desses elementos pesados do que as galáxias como a Via Láctea hoje. Como resultado, as estrelas massivas nascidas durante essa época podem ter propriedades físicas bastante diferentes das das estrelas massivas que os astrónomos podem estudar mais perto de casa.
“Estrelas massivas com baixa metalicidade são particularmente importantes para a construção de modelos precisos de galáxias primitivas”, disse Telford. “E não podemos explicar essas observações simplesmente estudando como se comportam as estrelas gigantes ricas em metais da Via Láctea.”
Galáxias anãs próximas oferecem uma janela para o passado
Os astrónomos não conseguem examinar estrelas massivas individuais no Universo primitivo distante com detalhes suficientes para medir directamente muitas destas propriedades. Assim, o TEMPOS voltou-se para galáxias anãs relativamente próximas, cujas composições químicas fornecem uma comparação útil.
A pesquisa examinou 29 estrelas massivas espalhadas por seis galáxias anãs locais. A metalicidade de cada galáxia na amostra é inferior a um quinto da do Sol, tornando as estrelas substitutas úteis para estudar condições que eram comuns muito cedo na história cósmica.
A luz ultravioleta fornece informações particularmente valiosas sobre estas estrelas. Os seus espectros UV contêm impressões digitais dos elementos químicos nas suas atmosferas, bem como revelam detalhes sobre os ventos estelares que transportam material para longe das suas superfícies.
Essas medições são difíceis de obter porque as estrelas gigantes individuais além da Via Láctea são extremamente fracas. Estudá-los pode exigir muitas horas de observação em alguns dos telescópios mais capazes do mundo.
“Essa é uma amostra de 29 estrelas, o que não parece muito, mas quando leva até 35 horas do tempo do Hubble para observar cada uma delas, fica muito caro”, disse Telford.
O TEMPOS adicionou novas observações de 12 estrelas às medições anteriormente recolhidas, criando um conjunto de dados maior e mais consistente para comparação.
Os ventos estelares diminuem dramaticamente com baixa metalicidade
Estrelas gigantes lentamente liberam material através de poderosos ventos estelares. A força e a velocidade desses ventos estão intimamente relacionadas com a metalicidade da estrela.
Os íons metálicos ajudam a transferir energia da radiação de uma estrela para o material circundante, empurrando esse material para fora. Assim, os cientistas esperam que estrelas com menos elementos pesados produzam ventos mais fracos e percam menos massa durante a sua vida.
O TEMPOS confirmou os padrões gerais previstos pelos astrónomos. À medida que a metalicidade diminui, a velocidade máxima dos ventos estelares também começa a diminuir.
No entanto, algo inesperado apareceu no extremo da amostra.
Para estrelas com metalicidades cerca de 10% inferiores às do Sol, a velocidade do vento diminuiu muito mais rapidamente do que as tendências medidas em metalicidades mais elevadas.
“Há uma espécie de tendência natural e, de repente, para as estrelas com metalicidade mais baixa, a velocidade do vento diminui”, disse Telford. “Fiquei muito animado ao encontrar aquela surpresa divertida nos dados.”
Esse rápido declínio poderá ter consequências importantes na forma como as estrelas massivas vivem e morrem. Se estrelas extremamente pobres em metais perderem menos material através dos seus ventos, poderão preservar mais da sua massa central ao longo das suas vidas.
Esta diferença pode alterar a sua evolução subsequente, as suas mortes finais e a quantidade de energia e material que devolvem ao seu ambiente. Uma vez que as estrelas massivas ajudam a controlar o gás disponível para a formação estelar futura, mesmo as mudanças dentro de estrelas individuais podem, em última análise, afectar a evolução de galáxias inteiras.
O ferro pode ser uma peça chave que faltava
O ferro pode ser particularmente importante entre os elementos pesados encontrados em estrelas gigantes. Ajuda a impulsionar os ventos estelares, influenciando em grande parte a evolução de estrelas massivas e desempenhando um papel fundamental nos processos da sua eventual explosão de supernova.
No entanto, medir o ferro em ambientes extremamente pobres em metais é extremamente desafiador.
Os astrônomos costumam estimar a metalicidade medindo o oxigênio no gás de uma galáxia. Os íons de oxigênio produzem linhas de emissão brilhantes quando iluminados por estrelas massivas, tornando-os comparativamente fáceis de detectar.
Os pesquisadores muitas vezes acreditam que a abundância de ferro segue de perto a abundância de oxigênio. No entanto, os dois elementos não aumentam ou diminuem exatamente da mesma maneira.
O TEMPOS permitiu aos pesquisadores investigar essa relação mais diretamente, examinando características de absorção de ferro extremamente fracas no espectro ultravioleta. Em termos simples, a equipe mediu a quantidade de luz UV que estava sendo absorvida pelo ferro em comparação com a quantidade de luz que de outra forma estaria presente.
Eles descobriram que estrelas massivas em galáxias mais ricas em oxigênio (maior metalicidade) geralmente apresentam absorção de ferro significativamente mais forte do que estrelas em galáxias pobres em oxigênio (menos metalicidade).
Além disso, a extensão da absorção de ferro medida pelo TEMPOS indica que estas estrelas pobres em metais podem conter quantidades surpreendentemente variadas de ferro.
“Esta é a primeira vez que temos o poder estatístico para ver essa tendência numa grande amostra de estrelas em seis galáxias, todas com composições químicas diferentes”, disse Telford. “O TEMPOS dá-nos a base para determinar como a física estelar em grande escala muda quando a abundância de ferro muda no regime de metalicidade muito baixa.”
Uma amostra maior revela tendências ocultas
Antes do TEMPOS, Telford conduziu modelagem detalhada de três estrelas que agora estão incluídas no levantamento maior.
Esse pequeno conjunto de dados não foi suficiente para revelar os padrões mais amplos que são visíveis em dezenas de estrelas.
“Com apenas três, você não verá essas tendências”, disse ele. “Estamos sempre presos neste regime estatístico de números baixos, então esta é a nossa melhor tentativa de criar uma amostra maior para fazer algo mais útil”.
Os investigadores planeiam agora aprofundar a análise combinando as medições ultravioleta do Hubble com observações de luz visível recolhidas no Observatório Keck, no Havai.
A utilização de ambos os conjuntos de dados permitirá aos cientistas construir modelos mais detalhados de estrelas e calcular propriedades, incluindo as suas abundâncias químicas e a taxa a que a sua massa é eliminada pelos ventos estelares.
Essas medições poderão eventualmente melhorar os modelos usados para explicar as galáxias iniciais incomuns que Webb está observando.
Os espectros UV científicos do TEMPOS serão disponibilizados publicamente através do Arquivo Mikulski para o Telescópio Espacial, dando a outros investigadores a oportunidade de investigar questões adicionais sobre estrelas massivas e a sua influência na evolução das galáxias.
Os colaboradores da pesquisa são Christiana Erba, da California State University, Fresno e Downing Planetarium; Kristen McQuinn do Space Telescope Science Institute (STScI) e da Rutgers University; Callum Howcroft, Julia Roman-Duval e Klaus Leitherer do STSCI; Andreas Sander, da Christian-Albrechts-University zu Kiel e do Astronomisches Rechen-Institut (ARI); John Chisholm e Danielle Berg, da Universidade do Texas em Austin e do Cosmic Frontier Center; Varsha Ramachandran da ARI; Yong Zheng, do Instituto Politécnico Rensselaer; Abby Mintz, da Universidade de Princeton; e Evan Kirby, da Universidade de Notre Dame.
Este trabalho foi baseado nas observações do Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA e foi apoiado pela NASA (números de concessão GO-16767, GO-16920 e GO-17491).
