No intuito de estudar o Universo longínquo, uma equipa de cientistas liderada pelo astrónomo Zhi-Yu Zhang, da Universidade de Edimburgo, utilizou o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) para investigar a proporção de estrelas massivas em quatro galáxias distantes ricas em gás com formação estelar explosiva.
As galáxias com formação estelar explosiva são galáxias que estão a sofrer um episódio de formação estelar muito intensa. A taxa à qual se formam novas estrelas pode bem ser superior a 100 vezes a taxa de formação estelar da nossa galáxia, a Via Láctea. Neste tipo de galáxias, as estrelas massivas produzem radiação ionizante, fluxos estelares e explosões de supernova, fenómenos que influenciam de forma bastante significativa a evolução química e dinâmica do meio que as rodeia. O estudo da distribuição de massa das estrelas nestas galáxias ajuda-nos a compreender melhor não só sobre a sua própria evolução, mas também a evolução do Universo, de modo geral.
Observamos estas galáxias quando o Universo era muito mais jovem do que atualmente, o que significa que, muito provavelmente, estes objetos bebés ainda não sofreram muitos episódios de formação estelar anteriores. Se não fosse este o caso, os resultados poderiam estar comprometidos.
Zhang e a sua equipa desenvolveram uma nova técnica — semelhante à datação por carbono radioativo (também conhecida por datação por carbono-14) — para medir as abundâncias de diferentes tipos de monóxido de carbono em quatro galáxias muito distantes envoltas em poeira e com formação estelar explosiva. A equipa observou a razão entre dois tipos de monóxido de carbono que contêm diferentes isótopos.
"Os isótopos de carbono e de oxigénio têm origens diferentes", explica Zhang. "O 18O é mais produzido em estrelas massivas e o 13C é mais produzido em estrelas de massa pequena ou intermédia." Graças à nova técnica, a equipa foi capaz de observar para além da poeira destas galáxias e determinar pela primeira vez a massa das suas estrelas.
A massa de uma estrela é o fator mais importante para determinar a sua evolução. As estrelas massivas brilham intensamente e têm vidas curtas, enquanto que as estrelas menos massivas, como o Sol, brilham de forma mais modesta durante milhares de milhões de anos. Assim, ao sabermos as proporções de estrelas com massas diferentes que se formam nas galáxias, podemos compreender melhor a formação e evolução das galáxias ao longo da história do Universo, o que, por sua vez, nos dá informações valiosas sobre os elementos químicos disponíveis para formar novas estrelas e planetas e, por fim, o número de "sementes" de buracos negros que podem coalescer para formar os buracos negros supermassivos que vemos no centro de muitas galáxias.
A coautora do trabalho, Donatella Romano do INAF-Observatório de Astrofísica e Ciências do Espaço em Bolonha, explica o que a equipa descobriu: "A razão de 18O para 13C medida foi cerca de 10 vezes maior nestas galáxias com formação estelar explosiva existentes no Universo primordial do que em galáxias como a Via Láctea, o que significa que existe uma proporção muito maior de estrelas massivas no interior destas galáxias."
Estes resultados obtidos com o ALMA são corroborados por outra descoberta no Universo local. Com o auxílio do VLT (Very Large Telescope) do ESO e com o intuito de investigar a distribuição geral de idades estelares e massas iniciais, uma equipa liderada por Fabian Schneider, da Universidade de Oxford, obteve medições espectroscópicas de 800 estrelas situadas na enorme região de formação estelar 30 Doradus, na Grande Nuvem de Magalhães.
Schneider explica: "Descobrimos cerca de 30% mais estrelas com massas superiores a 30 vezes a do Sol do que o esperado e cerca de 70% mais do que as esperadas com massas superiores a 60 massas solares. Os nossos resultados desafiam o limite anteriormente previsto de 150 massas solares para a massa inicial máxima das estrelas e sugerem ainda que as estrelas se podem formar com massas superiores a 300 massas solares!"
Rob Ivison, coautor do novo artigo científico baseado nos dados ALMA, conclui: "Os nossos resultados levam-nos a questionar a nossa compreensão da história cósmica. Os astrónomos que constroem modelos do Universo têm que voltar ao ponto de partida e usar modelos ainda mais sofisticados."
As galáxias do Universo distante são observadas durante a sua juventude e por isso apresentam histórias de formação estelar relativamente curtas e rotineiras, o que as torna um laboratório ideal para estudar as épocas mais precoces da formação estelar. No entanto, estes objetos encontram-se muitas vezes obscurecidos por poeira, o que impede a correcta interpretação das observações.
Este tipo de galáxia está tipicamente a formar estrelas a uma taxa tão elevada que os astrónomos se referem a elas como "tendo formação estelar explosiva". Estes objetos podem formar até 1000 vezes mais estrelas por ano do que, por exemplo, a Via Láctea. Graças às capacidades únicas do ALMA, os astrónomos conseguiram medir a proporção de estrelas de elevada massa neste tipo de galáxias.
Esta imagem mostra quatro galáxias distantes com formação estelar explosiva, observadas pelo ALMA. As imagens de cima mostram o 13C emitido por cada galáxia e as de baixo mostram a sua emissão de C18O. A razão destes dois isotopólogos permitiu aos astrónomos determinar que estas galáxias apresentam um excesso de estrelas massivas.