A Formação da Via Láctea

Título: Uncovering the Birth of the Milky Way Through Accurate Stellar Ages with Gaia

Autores: Carme Gallart, Edouard J. Bernard, Chris B. Brook, Tomas Ruiz-Lara, Santi Cassisi, Vanessa Hill, e Matteo Monelli

Instituição do primeiro autor: Instituto de Astrofisica de Canarias, Espanha

Status: publicado na Nature Astronomy [acesso aberto]

A importância da idade

Idade soa como algo tão fundamental e simples de obter. Ainda assim, é uma informação crucial para que entendamos a história e a evolução de qualquer coisa no Universo. Por exemplo, pode-se querer descobrir quão velha é uma árvore para retraçar sua história e entender por que ela cresceu de certa maneira. De maneira similar, a partir da idade do Sistema Solar, que sabemos ser cerca de 4,5 Gyr (ou seja, 4,5 bilhões de anos), podemos traçar sua história e buscar explicar como o Sol e os planetas formaram-se e evoluíram para a configuração que observamos hoje. Determinar a idade de algo em Astronomia é, contudo, extremamente difícil. Sabemos que a idade do Universo é cerca de 13,7 bilhões de anos e, baseado na idade de outras galáxias, podemos concluir que galáxias devem ter formado-se pouco após o Big Bang. Estrelas na nossa própria Galáxia, a Via Láctea, são entretanto particularmente desafiadoras. De fato, temos uma estimativa mais precisa da idade do Universo do que da idade da maioria das estrelas na nossa vizinhança. Por que essa discrepância? Intuitivamente, poderia-se pensar que as estrelas próximas deveriam ser mais fáceis de caracterizar do que o Universo como um todo! Contudo, para saber a idade de uma estrela, é preciso saber o quão intrinsecamente brilhante, ou luminosa, ela é. Com essa informação, modelos de evolução estelar podem retraçar a origem e a idade da estrela. Soa muito fácil, mas, para saber o quão luminosa uma estrela é, precisamos saber o quão distante ela está. A luz de uma lanterna pode parecer mais forte que a de um holofote, se a lanterna estiver próxima o suficiente. O mesmo princípio aplica-se a estrelas: não podemos saber a distância com base apenas na intensidade da luz detectada. Mas a distância de uma estrela é muito difícil de obter — ou era, até antes do satélite Gaia, que permitiu obter medidas precisas de distância para milhões de estrelas na Galáxia. Equipados com essa nova informação poderosa, os autores do artigo de hoje estimaram a idade de muitas estrelas, desvendando detalhes da história da nossa Via Láctea.

Uma introdução à história da Via Láctea

Figura 1: representação da estrutura da Via Láctea. Os autores do artigo de hoje focaram-se nas estrelas no halo e no disco espesso, a parte do disco menos rica em gás. Créditos: André Luiz da Silva/CDA/CDCC/USP

Para compreender a história da Via Láctea como um todo, os autores buscaram caracterizar diferentes pedaços da nossa Galáxia (veja a Fig. 1). Em particular, eles estudaram um grupo de estrelas no halo, a parte externa da Galáxia. Essas estrelas têm velocidades orbitais maiores que 200 km/s e orbitam a estrutura principal da Galáxia em órbitas com diversas orientações. Após determinar a luminosidade de cada uma dessas estrelas, eles graficaram suas cores em um diagrama cor-magnitude. Os autores perceberam que algumas dessas estrelas do halo pareciam mais vermelhas (ou seja, mais brilhantes em comprimentos de onda longo) do que outras, que aparentavam ser mais azuis (mais brilhantes em comprimentos de onda curtos). Utilizando modelos de evolução estelar, eles determinaram as idades de ambas populações, que são mostradas com as linhas vermelha e azul no histograma da Fig. 2. Surpreendentemente, ambos conjuntos de estrelas têm o mesmo pico, em 13,6 Gyr, e o mesmo espalhamento em idades. Em outras palavras, ambas populações começaram e pararam de formar-se ao mesmo tempo, e a diferença em cor não tem nada a ver com a idade! Em vez disso, os autores atribuem a diferença em cor a uma diferença em metalicidade. As estrelas mais vermelhas devem ter formado-se em uma galáxia com maior metalicidade que as estrelas azuis, que se formaram em uma galáxia pobre em metais. Já foi proposto que a Via Láctea deve ter colidido e combinado-se com uma galáxia-anã conhecida como Gaia-Enceladus em algum momento da história. Já que galáxias-anãs são menos metálicas, os autores concluem que as estrelas mais azuis devem ter formado-se em Gaia-Enceladus.

Figura 2: os histogramas à esquerda mostram a distribuição normalizada de idades estelares para as estrelas na população vermelha do halo, população azul do halo e disco espesso (em preto). As duas populações do halo têm distribuições de idade similares, mostrando que devem ter históricos de formação estelar semelhantes. As estrelas do disco mostram um pico em formação estelar em cerca de 9,5 Gyr, correspondendo ao momento logo após a colisão com Gaia-Enceladus. Os histogramas à direita comparam a metalicidade em termos da razão entre ferro e hidrogênio (Fe/H) das diferentes populações. A população vermelha do halo têm metalicidade semelhante à população do disco, sugerindo que ambas formaram-se em uma mesma galáxia, enquanto a população azul deve ter formado-se em uma galáxia diferente, que era pobre em metais. Figura 2 no artigo.

A distribuição de idades das estrelas do halo também indica quando a fusão entre a progenitora da Via Láctea e Gaia-Enceladus ocorreu. Como não há estrelas no halo mais jovens que cerca de 10 bilhões de anos, a colisão deve ter ocorrido por volta dessa época. Pode-se chegar à mesma conclusão estudando a idade das estrelas no disco espesso. As idades das estrelas no disco, ilustradas por uma linha preta na Fig. 2, têm uma distribuição similar às estrelas do halo entre 10 e 13,6 Gyr. Há, contudo, um pico repentino por volta de 9,5 Gyr, indicando um aumento em formação estelar nessa época. A partir da observação da fusão de outras galáxias, sabe-se que tal fusão tende a causar um aumento na formação estelar — o mesmo deve ter acontecido na nossa Galáxia.

Os autores também notam que há uma aparente estabilização da formação estelar entre seis e oito bilhões de anos atrás. Durante esse tempo, o gás que estava originalmente na porção espessa do disco começou a acomodar-se no disco fino da Via Láctea, formando estrelas a uma taxa aproximadamente constante.

A história da nossa Via Láctea como contada pelos autores de hoje pode parecer simples e intuitiva. Vários aspectos dessa história foram originalmente propostos por outros grupos, culminando nesta explicação que fornece um dos cenários mais claros do histórico de formação da nossa Galáxia. Isso não teria sido possível sem o conhecimento de distâncias estelares; obter tais distâncias é um dos objetivos da missão Gaia. Com essa nova informação, agora estamos finalmente aptos a responder algumas das questões mais fundamentais a respeito da história do Universo.

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