Formação e Evolução Estelar

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O Universo está ficando sem estrelas?
Os astrônomos estão descobrindo que a taxa de formação de estrelas no universo está caindo, e eles
querem saber o porquê.
Quando você se deita e olha para o céu noturno, seja no coração de uma cidade ou nas profundezas do
campo, a primeira coisa que lhe impressiona é o grande número de estrelas. Aqueles visíveis a olho nu
pertencem à nossa própria galáxia, a Via Láctea.
Acredita-se que nossa galáxia seja quase tão antiga quanto o Universo, mas, ao contrário de muito
Universo próximo, também está repleta de estrelas recém-formadas. É o lar de regiões como a Nebulosa
Carina, que hospeda estrelas que são centenas de vezes a massa do Sol e da Nebulosa de Orion, que
criou dezenas de milhares de estrelas nos últimos dez milhões de anos.
Com o número de galáxias que formam ativamente estrelas, que se acredita serem cerca de seis vezes
mais baixas do que as galáxias com pouca formação de estrelas no Universo próximo, este alto nível de
atividade na Via Láctea é raro. Isso faz parte de um quadro mais amplo em que os astrônomos estão
descobrindo que a taxa em que as estrelas são formadas está caindo, e eles querem saber por quê.
Como as estrelas se formam?
A maior parte da nossa compreensão do ciclo de vida de uma estrela vem observando aqueles que
nascem e morrem dentro da Via Láctea.
https://www.eso.org/public/news/eso0425/
https://www.eso.org/public/news/eso0421/
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/783/2/85
https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/how-do-stars-form-and-evolve/
https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/how-do-stars-form-and-evolve/
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As estrelas nascem em nuvens frias de gás e poeira, chamadas nebulosas, encontradas na maioria das
galáxias. As baixas temperaturas da Nebulosa (cerca de 10K ou -263oC) são necessárias para que o
gás hidrogênio se aglomere em densidades altas o suficiente para iniciar o processo de formação
estelar. A gravidade do aglomerado atrai mais gás e, à medida que esse material se move para dentro,
ganha energia do movimento. Quando o gás afeta o aglomerado, toda a energia do movimento é
convertida em calor. Este processo continua até que sua temperatura atinja milhares de Kelvin e possa
inflamar uma estrela.
Ao longo da “sequência principal”, o período mais longo e estável da vida de uma estrela, a estrela
produz radiação e calor fundindo duas moléculas de hidrogênio em hélio. A remoção dessa radiação
mantém uma pressão externa que neutrale a força gravitacional da massa da estrela e produz a maior
parte da luz de uma galáxia.
Estrelas mais massivas usarão seu combustível mais rapidamente para se opor à força gravitacional
maior, mas também brilham a luz UV de alta energia emitindo mais brilhante. As estrelas de baixa massa
têm vidas muito mais longas, são muito mais fracas e emitem luz infravermelha de baixa energia. A
maioria das galáxias hospedará uma faixa de massas estelares entre 0,1 a 10 vezes a massa do nosso
Sol.
Uma vez que o hidrogênio é usado, a estrela entrará no estágio final de sua vida e se transformará em
uma estrela degenerada. Para estrelas com uma massa semelhante ou inferior ao Sol, ela não será mais
capaz de produzir radiação para que a força gravitacional domine, e a matéria da estrela entrará em
colapso em uma anã branca.
Um colapso semelhante ocorre em estrelas maiores que o Sol, mas há significativamente mais material
queimando em temperaturas mais altas. Assim, este colapso cria um núcleo capaz de fundir elementos
mais pesados, começando com a fusão de hélio em carbono. Se a estrela for massiva o suficiente, esse
processo pode continuar, criando camadas extras que fundem elementos tão pesados quanto o ferro.
Uma vez que o combustível em todas as camadas é usado, as camadas externas colapsam tão
rapidamente que elas se recuperam do núcleo perto da velocidade da luz. Esta rápida ejeção é
conhecida como supernova. O material ejetado é jogado no gás e poeira circundantes, ajudando a
semear a próxima geração de estrelas e deixando uma estrela de nêutrons ou buraco negro.
Como a formação de estrelas mudou?
A taxa em que as estrelas se formaram não permaneceu a mesma. O Universo está produzindo nove
vezes menos estrelas agora do que em seu pico, cerca de 10 bilhões de anos atrás. Nossa
compreensão de como a atividade de formação de estrelas mudou através do tempo cósmico foi
cristalizada em um artigo publicado há quase uma década.
Piero Madau e Mark Dickinson compilaram dados de dezenas de estudos contendo centenas de
milhares de galáxias medidas nos comprimentos de onda infravermelho e UV. Abrangeu as galáxias que
a nossa própria até as observadas no Universo primordial, há cerca de 13 bilhões de anos.
Os autores dividiram esta amostra de galáxias em grupos com base na sua distância. Com esta
informação, eles puderam observar como a distribuição do brilho da galáxia mudou ao longo da vida do
Universo. E, uma vez que as estrelas compõem a maior parte da luz de uma galáxia no infravermelho e
https://www.advancedsciencenews.com/what-is-a-black-hole/
https://arxiv.org/abs/1403.0007
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no UV, elas poderiam converter o brilho diretamente em taxas de formação usando equações bem
conhecidas.
Esses resultados cimentaram a ideia de que a atividade de formação de estrelas era muito fraca no
Universo primordial. Então, à medida que o gás se tornou mais concentrado nas galáxias, produziu um
rápido aumento na formação de estrelas, até cerca de 10 a 11 bilhões de anos atrás, quando atingiu o
pico.
A partir de então, a formação de estrelas diminuiu rapidamente. No universo local, caiu para cerca de
nove vezes abaixo do valor máximo.Como resultado, acredita-se que cerca de metade das estrelas
observadas hoje se formaram nos primeiros cinco bilhões de anos desde o Big Bang, mas apenas um
quarto nos últimos seis bilhões de anos.
O que causou isto?
Amplamente, os astrônomos acreditam que a mudança da taxa de formação de estrelas segue a
disponibilidade de gás frio no Universo. Quando as galáxias começam a se formar, esse gás se
concentra dentro das galáxias e permite que a atividade de formação de estrelas atinja o pico. Mas
então o gás começa a ser rapidamente usado. Quando as estrelas começam a morrer, o gás frio
necessário para a futura formação de estrelas é disperso por supernovas e suas mudanças químicas,
então começamos a ver um declínio.
Mas entender exatamente como esse gás se torna inutilizável é difícil, pois as galáxias são redes
complexas sujeitas a inúmeras forças internas e externas. Por exemplo, quando uma supernova ejeta
material, as ondas de choque poderiam criar turbulência suficiente para o gás se aglomerar e
desencadear a próxima geração de formação estelar, mas se for muito energético, poderia explodir o
mesmo gás da galáxia.
Este é apenas um aspecto de um problema muito maior: o que acontece se mais de uma supernova
explodir ao mesmo tempo ou em momentos diferentes? E quanto aos outros objetos, como buracos
negros, que podem causar ondas de choque? Como esses processos afetam a temperatura do gás? A
lista é interminável.
Uma maneira de abordar essas questões é o uso de simulações. Por exemplo, a simulação EAGLE
recria a física da formação e evolução de galáxias dentro de um volume de espaço que contém 10.000
galáxias do tamanho da Via Láctea. Começa no Universo primitivo, quando tudo ainda é muito uniforme.
Estrelas, galáxias e outras estruturas são então autorizadas a se formar, sendo impulsionadas por
parâmetros cosmológicos fundamentais: a densidade da matéria escura e da matéria normal e a taxa em
que o Universo se expande.
Simulações são ferramentas eficazes para testar diferentes modelos de formação de estrelas e como
eles interagem com outros processos de galáxias. Os astrônomos podem usá-los para brincar com as
configurações de um universo hipotético para testar propriedades como a força de uma supernova e ver
se ela explica nossas observações atuais.
No entanto, as limitações computacionais significam que pode ser difícil modelarcom precisão essas
interações em galáxias inteiras. Algumas suposições devem ser feitas, que nem sempre são precisas.
http://icc.dur.ac.uk/Eagle/
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Nossas suposições precisam ser continuamente atualizadas através de novos dados de telescópios,
como o recém-lançado Telescópio Espacial James Webb, que tem um foco especial na compreensão da
física da formação de estrelas e fornecerá novos insights para ajudar a melhorar nossas simulações.
Os astrônomos acham que é improvável que nossa compreensão do declínio geral mude, mas, ao
utilizar efetivamente essas simulações e observações, podemos descobrir mais detalhes sobre
exatamente por que a formação estelar está em declínio.
O que acontecerá no futuro?
Alguns cientistas estão tentando compreender como o Universo pode parecer se essa tendência
declinante na formação de estrelas continuar. Eles acreditam que, à medida que a “Era Essípdia” – este
período atual de atividade de formação de estrelas – termina, o combustível para a formação de estrelas
desaparecerá efetivamente.
Quando as estrelas restantes começam a morrer, o Universo seria então dominado por buracos negros e
outras estrelas degeneradas. O Universo se tornaria um lugar ainda mais frio e vazio: o céu noturno
diminuiria significativamente, os sistemas solares não seriam mais capazes de hospedar vida à medida
que suas estrelas centrais se tornassem significativamente mais frias, e os buracos negros começariam
a devorar qualquer material que permanecesse.
Este futuro “Era Degenerada” é um tópico sombrio e fascinante para contemplar. Felizmente, isso não
vai acontecer tão cedo. O Universo tem atualmente cerca de 13,7 bilhões de anos, mas a era
degenerada não é pensada para começar até algo entre 1 quintilhão (10 15, ou 1 seguido de 15 zeros) e
1 duodecillion (10 39, ou 1 seguido por 39 zeros) anos após o Big Bang. No entanto, este é um resultado
especulativo do declínio contínuo na atividade de formação de estrelas e há muitas outras possibilidades
bizarras para o destino final do Universo.
Outro possível ponto final gira em torno de nossa falta de compreensão sobre a energia escura, a força
que está fazendo com que o Universo se expanda a uma taxa cada vez maior. Se essa tendência
continuar e o Universo se expandir cada vez mais rápido, a energia escura pode ficar tão forte que rasga
galáxias, estrelas e até mesmo matéria até que nada resta, um cenário conhecido como “Big Rip”.
Mas se a expansão desacelerar ou parar, a gravidade pode começar a dominar. Tudo começaria a se
atrair até que todo o Universo finalmente desmoronasse em um “Big Crunch”. Uma variação deste
cenário até sugere que o colapso poderia desencadear outro Big Bang e começar um novo Universo!
Deixando esses cenários especulativos de lado, ainda há muito a aprender sobre exatamente por que a
formação de estrelas está em declínio e o que isso significa para o Universo como um todo. Embora o
problema seja difícil de resolver, devemos ser gratos por o Universo estar envelhecendo.
Apesar de ser dependente do Sol para a vida, a formação de estrelas é conhecida por ter efeitos
adversos sobre a vida, desde a redução da chance de formação de planetas, até a inundação de
sistemas solares com radiação prejudicial, ou simplesmente explodir. Então, se houvesse muitas
estrelas, talvez nem estirssemos aqui para contemplar essas questões.
Crédito da imagem: A Nebulosa Carina tirada com o Telescópio Espacial James Webb
https://www.advancedsciencenews.com/what-scientists-hope-to-learn-with-the-new-james-webb-telescope/
https://astronomy.com/magazine/news/2021/02/the-beginning-to-the-end-of-the-universe-a-cold-lonely-death
https://arxiv.org/abs/1103.0556
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128119402000058
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