Primeiras estrelascomo a primeira luz do universo se acendeu

A primeira luz do universo veio da primeira estrela, acesa cerca de 150 milhões de anos depois do Big Bang: uma gigante de centenas de massas solares. Antes disso, os halos de matéria escura já tinham se formado por volta de 100 milhões de anos, e seus poços gravitacionais começaram a juntar gás. Quando essas gigantes se acenderam, sua luz reionizou o hidrogênio neutro e, ao morrerem, espalharam elementos pesados pelo espaço pela primeira vez.

Esta era vai de 150 milhões a 1 bilhão de anos e viu tanto o nascimento das estrelas quanto o surgimento dos buracos negros e dos quasares.

Seis eventos

• 100 milhões de anos · Formam-se os halos de matéria escura: Poços gravitacionais começam a juntar gás. Pense numa tigela gigante invisível: o gás escorrega pelas paredes e se acumula no fundo.
• 150 milhões de anos · Primeira estrela: Uma gigante de centenas de massas solares se acende.
• 200 milhões de anos · Reionização cósmica: A luz das estrelas ioniza de novo o hidrogênio neutro.
• 200 milhões de anos · Primeira supernova: Elementos pesados são espalhados pelo espaço pela primeira vez. As estrelas fazem mais que brilhar; são as primeiras "fornalhas de alquimia".
• 300 milhões de anos · Primeiro buraco negro: O núcleo de uma estrela gigante colapsa num buraco negro.
• 700 milhões de anos · Quasares: Buracos negros supermassivos brilham ao engolir matéria.

Esses passos dependem uns dos outros. Sem poços gravitacionais, o gás não se junta. Sem estrelas, não há supernovas nem buracos negros depois. Sem buracos negros, não há quasares. Os anos são aproximados; na realidade esses processos aconteceram de forma contínua e se sobrepuseram.

Os poços gravitacionais invisíveis: matéria escura

A pista mais antiga veio dos aglomerados de galáxias. As galáxias do Aglomerado de Coma se movem rápido demais, então alguém propôs a "matéria escura", ideia que foi negligenciada por décadas (Zwicky, Helvetica Physica Acta, 1933). A evidência voltou em 1970: as bordas da galáxia de Andrômeda giram rápido demais, e uma grande quantidade de matéria invisível precisa fornecer a gravidade. A matéria escura deixou de ser apenas um palpite (Rubin e Ford, The Astrophysical Journal, 1970).

Uma evidência mais direta veio quando dois aglomerados de galáxias colidiram: o gás ficou no meio, enquanto o centro de gravidade foi parar dos dois lados, então a matéria escura foi "lançada" para fora. O título do artigo a chama de "prova empírica direta" da existência da matéria escura (Clowe et al., The Astrophysical Journal Letters, 2006).

Por que as estrelas brilham e como morrem

Como o Sol pode queimar por bilhões de anos? As estrelas brilham por fusão nuclear, um enigma resolvido num artigo intitulado "Energy production in stars" (Bethe, Physical Review, 1939). O destino de uma estrela depois de morrer também tem um limite: uma anã branca tem massa máxima de cerca de 1,4 massa solar, e além disso a estrela inevitavelmente continua colapsando (Chandrasekhar, The Astrophysical Journal, 1931).

Buracos negros: da evidência indireta a uma sombra

Acompanhar por mais de dez anos as órbitas de estrelas perto do centro da Galáxia mostrou que um buraco negro de cerca de 4 milhões de massas solares se esconde ali. O trabalho ganhou o Nobel de 2020 (Ghez et al., The Astrophysical Journal, 2008). Dois buracos negros se fundiram há 1,3 bilhão de anos, e as ondulações do espaço-tempo foram finalmente ouvidas por humanos, confirmando a previsão de Einstein de um século antes (Abbott et al., LIGO e Virgo, Physical Review Letters, 2016). Radiotelescópios do mundo todo formaram um "telescópio virtual" do tamanho da Terra e registraram a sombra do buraco negro no centro da galáxia M87 (Event Horizon Telescope Collaboration, The Astrophysical Journal Letters, 2019).

Um enigma ainda não resolvido

Quando o universo tinha menos de 700 milhões de anos, já existia um buraco negro de 800 milhões de massas solares. Como ele cresceu tão rápido? Isso ainda é um mistério. O título do artigo também especifica duas condições: um desvio para o vermelho de 7,5 e um "universo significativamente neutro" (Bañados et al., Nature, 2018).

Quer ler os originais? Busque estes títulos

• Zwicky (1933): Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln, algo como "O desvio para o vermelho das nebulosas extragalácticas"
• Rubin e Ford (1970): Rotation of the Andromeda Nebula from a spectroscopic survey of emission regions
• Clowe et al. (2006): A direct empirical proof of the existence of dark matter
• Chandrasekhar (1931): The maximum mass of ideal white dwarfs
• Bethe (1939): Energy production in stars
• Ghez et al. (2008): Measuring distance and properties of the Milky Way's central supermassive black hole with stellar orbits
• Abbott et al. (2016): Observation of gravitational waves from a binary black hole merger
• Event Horizon Telescope (2019): First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The shadow of the supermassive black hole
• Bañados et al. (2018): An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5

Como o jogo mostra isso

No jogo, o intervalo de tempo da era Primeiras estrelas é "150 milhões – 1 bilhão de anos" e seu recurso é estrelas. Os geradores são Halos de matéria escura, Colapso de gás, Protoestrelas e Gigantes da População III, mais ou menos na ordem do processo "do poço gravitacional à estrela" descrito acima.