“Pobre e velho coração” da Via Láctea é descoberto e traz detalhes sobre a formação da galáxia

Um grupo de astrônomos do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA), na Alemanha, conseguiu identificar o “pobre e velho coração da Via Láctea” – um núcleo que contém estrelas remanescentes da história mais antiga de nossa galáxia.

Para este feito de “arqueologia galáctica”, os pesquisadores analisaram os dados mais recentes da missão Gaia, da Agência Espacial Europeia (ESA), usando uma rede neural para medir a metalicidade de dois milhões de estrelas gigantes brilhantes na região central da Via Láctea. 

Analisando os blocos de construção da Via Láctea

Nossa galáxia formou-se gradualmente ao longo de quase toda a história do universo, que se estende por 13 bilhões de anos. No decorrer das últimas décadas, astrônomos conseguiram reconstruir diferentes fases da evolução galáctica da mesma forma que os arqueólogos reconstruiriam a história de uma cidade – analisando os blocos de construção (uns mais antigos, outros mais recentes, alguns já em ruínas, outros bem conservados, e por aí vai).

A arqueologia cósmica se dá de forma muito semelhante. Os blocos básicos de construção de uma galáxia são suas estrelas. Ao examinar a estrutura de um pequeno subconjunto de estrelas, os astrônomos podem deduzir precisamente quantos anos elas têm. 

Para quase todas as estrelas, há um “estilo de construção” que permite um veredicto sobre suas idades, que é a chamada metalicidade, definida como a quantidade de elementos químicos mais pesados que o hélio que sua atmosfera contém. 

Tais elementos, que os astrônomos chamam de “metais”, são produzidos dentro das estrelas através da fusão nuclear e liberados perto ou já no fim de suas vidas, quando explodem como supernovas. 

Dessa forma, cada geração de estrelas “semeia” o gás interestelar a partir do qual a próxima geração é formada. Geralmente, cada geração tem uma metalicidade maior do que a anterior.

Quanto às estruturas de maior escala, assim como em uma cidade, a distribuição espacial é importante. Mas, como uma galáxia é menos estática do que uma cidade – os edifícios não se movem, diferentemente das estrelas – os padrões de movimento também codificam informações importantes. 

Enquanto as cidades podem passar por períodos de construção ou de remodelação intensiva, a história das galáxias é moldada por fusões e colisões, bem como pelas vastas quantidades de gás hidrogênio fresco que fluem das galáxias ao longo de bilhões de anos, a matéria-prima para a produção de novas estrelas.

Evolução galáctica

A história de uma galáxia começa com protogaláxias menores: regiões primitivas  superdensas, formadas logo após o Big Bang, nas quais as nuvens de gás colapsam para formar estrelas.

No decorrer do tempo, as protogaláxias colidem e se fundem, formando galáxias maiores. A mistura de duas galáxias suficientemente grandes (“grande fusão”) aquece seus reservatórios de gás, formando uma galáxia elíptica incapaz de gerar novas estrelas. Elas apresentam, portanto, um padrão complexo de órbitas para as estrelas mais velhas existentes.

Para reconstruir esse tipo de história é necessário combinar observações cada vez mais detalhadas com simulações cada vez mais sofisticadas. 

A Via Láctea é a galáxia cujas estrelas podemos examinar melhor e da maneira mais detalhada. A arqueologia galáctica não só nos permite reconstruir partes da nossa própria história mais ampla, mas também aprender algo sobre a evolução das galáxias em geral (“cosmologia local”).

Para isso, investigadores do MPIA fizeram uso de dados do satélite Gaia e do rastreio espectral chinês LAMOST (sigla em inglês para Telescópio Espectroscópico de Fibra Multiobjeto Grande Área do Céu) para determinar as idades das estrelas numa amostra sem precedentes de 250 mil subgigantes. Os resultados foram publicados na revista no Astrophysical Journal.

A partir dessa análise, eles puderam reconstruir as consequências da excitante adolescência da Via Láctea, ocorrida há 11 bilhões de anos, e sua subsequente idade adulta mais estabelecida.

Segundo o estudo, a adolescência coincidiu com a última fusão significativa de outra galáxia, chamada Gaia Encélado-Salsicha, cujos remanescentes foram encontrados em 2018, na Via Láctea. 

Essa fusão provocou uma fase de formação estelar intensa e levou a um disco comparativamente espesso de estrelas que podemos ver ainda hoje. 

Já a idade adulta consistiu em um influxo moderado de gás hidrogênio, que se instalou no disco fino estendido da nossa galáxia, com a formação lenta, mas contínua, de novas estrelas ao longo de bilhões de anos.

O que os astrônomos notaram foi que as estrelas mais antigas em sua amostra adolescente já tinham uma metalicidade considerável, cerca de 10% maior do que a metalicidade do nosso Sol. Por dedução, antes que essas estrelas se formassem, deve ter havido gerações anteriores de estrelas que poluíram o meio interestelar com metais.

Previsões de simulações confirmadas

Segundo os autores do novo estudo, a existência dessas gerações anteriores estava de acordo com as previsões de simulações da história cósmica. Essas simulações previram também onde os representantes sobreviventes dessas gerações anteriores poderiam razoavelmente ser encontrados. 

Especificamente, nessas simulações, a formação inicial do que mais tarde se tornou nossa Via Láctea envolveu três ou quatro protogaláxias que se formaram em estreita proximidade e depois se fundiram umas com as outras, com suas estrelas se estabelecendo como um núcleo comparativamente compacto, de não mais do que alguns milhares de anos-luz de diâmetro.

Adições posteriores de galáxias menores levariam à criação das várias estruturas de disco e do halo. Mas, de acordo com as simulações, pode-se esperar que parte desse núcleo inicial sobreviva relativamente ilesa a esses desenvolvimentos posteriores. 

De acordo com a pesquisa, deve ser possível encontrar estrelas do núcleo compacto inicial, o velho coração da Via Láctea, dentro e perto das regiões centrais da nossa galáxia ainda hoje, bilhões de anos depois.

Além daquelas estrelas raras das quais podemos determinar idades específicas, há o indicador mais genérico de metalicidade estelar – os “estilos de construção variados” que permitem classificar as estrelas em mais velhas e mais jovens. 

Como sabiam que sua análise precisava alcançar as regiões centrais da Via Láctea, os autores do novo estudo analisaram especificamente as estrelas gigantes vermelhas na amostra de Gaia. 

As gigantes vermelhas típicas são cerca de cem vezes mais brilhantes do que as subgigantes e facilmente observáveis mesmo nas regiões centrais distantes da nossa galáxia. Essas estrelas também têm a vantagem adicional de que as características espectrais que codificam sua metalicidade são comparativamente visíveis, tornando-as particularmente adequadas para o tipo de análise que os astrônomos estavam planejando, aplicando métodos de aprendizado de máquina. 

A principal propriedade do aprendizado de máquina é que as estratégias de solução não são programadas explicitamente. Em vez disso, no centro do algoritmo está uma rede neural, com semelhanças superficiais com a maneira como os neurônios são organizados nos cérebros humanos.

Essa rede neural é então treinada: dadas combinações de tarefas e suas soluções, e as conexões entre entrada e saída ajustadas de modo que, pelo menos para o conjunto de treinamento, a rede possa produzir a saída correta dada uma entrada específica.

Neste caso específico, a rede neural foi treinada usando espectros selecionados de Gaia como uma entrada – especificamente: espectros de Gaia para os quais a resposta certa, a metalicidade, já era conhecida. A estrutura interna da rede adaptou-se de modo a que, pelo menos para o conjunto de formação, pudesse reproduzir as metalicidades corretas.

Abrindo a “caixa preta” da Via Láctea

Um desafio geral no uso do aprendizado de máquina na ciência é que, por sua própria natureza, a rede neural é uma “caixa preta” – sua estrutura interna foi formada pelo processo de treinamento e não está sob o controle direto dos cientistas. 

É por isso que, para começar, os pesquisadores treinaram sua rede neural apenas em metade dos dados. Em um segundo passo, o algoritmo foi então configurado para provar seu valor contra o restante, sendo capaz de deduzir metalicidades bem precisas, mesmo para estrelas que nunca haviam sido encontradas antes.

Agora que os pesquisadores não apenas treinaram sua rede neural, mas também garantiram que ela pudesse obter resultados precisos para espectros que não haviam encontrado durante seu treinamento, eles aplicaram o algoritmo ao seu conjunto completo de dados de gigantes vermelhas de espectros Gaia. 

Uma vez que os resultados foram divulgados, os pesquisadores tiveram acesso a uma amostra de estrelas de metalicidades precisas de tamanho sem precedentes, consistindo de 2 milhões de gigantes brilhantes na galáxia interior.

Com essa amostra, ficou fácil identificar o núcleo da Via Láctea – uma população de estrelas apelidada pelos cientistas de “pobre velho coração”, dada sua baixa metalicidade, idade inferida e localização central. 

Em um mapa do céu, essas estrelas parecem estar concentradas em torno do centro galáctico. As distâncias convenientemente fornecidas pelo Gaia (através do método da paralaxe) permitem uma reconstrução 3D que mostra as estrelas confinadas dentro de uma região comparativamente pequena ao redor do centro, com aproximadamente 30 mil anos-luz de diâmetro.

As estrelas em questão têm a metalicidade certa para ter produzido a mais pobre em metal daquelas estrelas que, mais tarde, formaram o disco espesso da Via Láctea. Como esse estudo forneceu uma cronologia para a formação de discos espessos, isso dá ao coração da Via Láctea a idade aproximada de 12,5 bilhões de anos.

Análises espectrais revelaram abundância de elementos como oxigênio, silício e neônio nessas estrelas. Esses elementos podem ser obtidos pela adição sucessiva de partículas alfa (núcleos de hélio-4) aos núcleos existentes em um processo chamado “aprimoramento alfa”. 

Sua presença nas quantidades observadas indica que as primeiras estrelas obtiveram seus metais de um ambiente no qual elementos mais pesados foram produzidos em escalas de tempo comparativamente curtas através das explosões de supernovas de estrelas massivas.

Isso é muito mais consistente com essas estrelas terem se formado diretamente após as primeiras protogaláxias terem se fundido para formar o núcleo inicial da Via Láctea, em vez de já estarem presentes nas galáxias anãs que formaram o núcleo inicial da nossa galáxia ou que se fundiram com ela depois. 

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Embora a informação obtida a partir da visão global de Gaia seja inovadora na demonstração da existência contínua do “pobre velho coração” da Via Láctea, essa descoberta faz com que os astrônomos queiram aprender ainda mais. 

Seria possível obter espectros mais detalhados para todas essas estrelas, que permitem uma análise mais detalhada de sua composição química? Todos eles mostrarão aprimoramento alfa, consistente com sua formação no núcleo inicial da Via Láctea?

Segundo o site Phys.org, os espectros de acompanhamento tomados como parte da pesquisa recém-lançada pelo MPIA, junto a outros estudos em fase de conslusão, prometem trazer as informações necessárias para responder a essas perguntas-chave.

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