Clássicos da Astrofísica: Cosmocronologia com Anãs Brancas

Título: An Independent Method for Determining the Age of the Universe

Autores: D.E. Winget, C.J. Hansen, J. Liebert, H.M Van Horn, G. Fontaine, R.E. Nather, S.O. Kepler e D.Q. Lamb

Instituição do primeiro autor: The University of Texas at Austin, EUA

Status: Publicado no Astrophysical Journal [acesso aberto]

O debate sobre a idade do Universo

A primeira evidência observacional da idade finita do Universo surgiu em 1929 com observações de Edwin Hubble. Ele notou que quanto mais distante uma gálaxia está, mais rápido ela se afasta de nós. Em outras palavras, o Universo está se expandindo, e portanto deve ter começado em algum ponto. Essa ideia tinha sido proposta em 1922 por Alexander Friedmann e em 1927 por Georges Lemaître, na chamada “hipótese do átomo primordial”, que hoje conhecemos como a teoria do Big Bang. Sabendo que o Universo teve um início, astrônomos passaram a tentar determinar quando de fato foi esse início e assim estimar a idade exata do Universo.

Allan Sandage foi um dos pioneiros fazendo uma estimativa com aglomerados globulares. Sabendo que as estrelas mais massivas evoluem mais rápido, ele estudou o ponto de saída da sequência principal (conhecido como turn-off) para estimar a idade do aglomerado e assim inferir a idade do Universo. À época, a idade das estrelas mais velhas era estimada em 25 bilhões de anos, mas Sandage chegava a valores consideravelmente menores, que ele próprio questionava. Medidas da constante de Hubble (que relaciona a distância com velocidade) também forneceram estimativas, já que seu inverso fornece uma idade. Sandage e Gerard de Vaucouleurs foram os primeiros a debater esse valor, argumentando a favor de 50 km/s/Mpc e 100 km/s/Mpc, respectivamente. Esses dois valores correspondem a um intervalo de idades entre 10 e 20 bilhões de anos. No artigo de hoje, um clássico da astrofísica, voltamo-nos a 1987, quando um novo método de cosmocronologia, ou datação do universo, foi introduzido utilizando anãs brancas.

Uma nova abordagem

Mais de 95% das estrelas têm massa inicial menor que cerca de 10 vezes a massa do Sol e, por isso, vão tornar-se anãs brancas no fim de suas vidas. No início da fase de anã branca, as estrelas são muito quentes, já que ejetaram suas camadas externas, possivelmente formando uma nebulosa planetária. Anãs brancas não realizam processos de fusão em seu núcleo, de modo que sua evolução é basicamente um processo de resfriamento lento. Sabendo disso, os autores perceberam que podiam utilizar a temperatura das anãs brancas para estimar a idade do disco da Galáxia e, então, adicionando o tempo necessário para formarem-se as primeiras estrelas, obter a idade do Universo.

Como? Considere uma estrela que se formou na sequência principal o mais cedo possível e tornou-se uma anã branca. Essa anã branca iria agora ter uma temperatura que coloca um valor mínimo para a temperatura de todas as outras anãs brancas, já que ela está esfriando há mais tempo. Olhando a distribuição de temperatura das anãs brancas, deve existir então um corte nessa dada temperatura. A partir disso, estima-se a idade da população de anãs brancas, da qual se pode inferir a idade do Universo.

As anãs brancas conhecidas

A Figura 1 mostra a distribuição de luminosidade das anãs brancas na vizinhança solar. Os autores estimaram a luminosidade das anãs brancas conhecidas a partir de sua temperatura. Usando distâncias estimadas por meio de medidas de movimento próprio (o movimento da estrela perpendicular à linha de visada), determinaram então a distribuição de luminosidade: número de anãs brancas por parsec cúbico, por magnitude bolométrica, que é calculada levando em conta todo o espectro eletromagnético. Pode-se notar na Figura 1 que a distribuição cresce, até que repentinamente começar a cair por volta de um valor -4.5 em logaritmo da luminosidade da estrela em termos da luminosidade solar.

Para provar que essa queda era real, os autores fizeram alguns testes. Eles primeiro buscaram alguma correlação entre o movimento próprio e a magnitude absoluta. O objetivo aqui era provar que tinham uma amostra não tendenciosa de anãs brancas. Se uma correlação fosse encontrada, indicaria que as anãs brancas mais fracas não estavam sendo detectadas no mapeamento de movimento próprio, o que causaria artificialmente uma queda como a vista na Figura 1. Nenhuma correlação foi encontrada. Os autores fizeram o mesmo teste para as estrelas de sequência principal tipo M do mesmo catálogo. Novamente, não encontraram nenhuma correlação, confirmando que a amostra não estava incompleta para as estrelas mais fracas, de modo que a queda na Figura 1 é verdadeira.

Figura 1: distribuição de luminosidade das anãs brancas conhecidas à época. A abscissa mostra a luminosidade embaixo e a magnitude absoluta no topo. A ordenada é a distribuição de luminosidade, ou o número de anãs brancas por parsec cúbico, por magnitude absoluta. Os pontos mostram a distribuição observada, enquanto a linha mostra a estimativa teórica para a distribuição.

A distribuição de luminosidade teórica

Os autores então buscaram construir uma distribuição de luminosidade teórica que ajustasse as observações. Para isso é preciso levar em conta todo o processo de evolução da estrela, o que permitirá associar uma idade à sua luminosidade. Modelos de evolução estelar têm muita física envolvida, incluindo modelos para convecção, reações nucleares, interações eletromagnéticas, cristalização… Pense em qualquer assunto de física, ele de alguma forma é relevante na evolução estelar.

A distribuição de luminosidade também depende, no entanto, da distribuição de massa das anãs brancas. Ela é importante porque a taxa de esfriamento depende da área superficial que pode irradiar calor. A área por sua vez depende do raio da estrela, que depende da sua massa. Anãs brancas, por terem um núcleo degenerado, têm a estranha propriedade de que quanto mais massivas, menores elas são. Por isso anãs brancas mais massivas têm menor área superficial e esfriam mais devagar. Os autores usaram a distribuição de massa disponível na época, com um máximo em torno de 0.6 vezes a massa do Sol (não muito diferente do valor atual, de 0.65 massas solares). A partir desses modelos, os autores obtiveram a distribuição teórica mostrada na Figura 1. A idade obtida para a população de anãs brancas no disco da galáxia foi de 9.3 ± 2.0 bilhões de anos, o que levou a uma estimativa de 10.3 ± 2.2 bilhões de anos para a idade do Universo.

Implicações

Quando este artigo foi publicado, era único em sua maneira de estimar a idade do Universo, fornecendo uma idade que estava no limite inferior das idades que vinham sendo debatidas. Os resultados até deixaram alguns astrônomos defensores de valores mais altos desapontados, mas mostravam claramente que a idade do Universo ainda devia ser discutida.

A idade do Universo atualmente é estimada em 13.8 bilhões de anos, a partir de medidas da radiação cósmica de fundo obtidas com a sonda Planck. O valor da constante de Hubble por sua vez está em torno de 71 km/s/Mpc. Embora os resultados deste artigo, bem como os valores mencionados no início deste astroponto, sejam um pouco diferentes dos valores aceitos atualmente, o longo debate e processo de determinação da idade do Universo é um bom lembrete de como funciona a ciência. Diferentes métodos independentes deram resultados distintos, motivando astrônomos a continuar buscando por um número confiável.


Original: Astrophysical Classics: Cosmochronology with White Dwarfs, por Josh Fuchs

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