Este artigo foi publicado originalmente em A conversa. A publicação contribuiu com o artigo para Space.com’s Vozes de especialistas: artigos de opinião e insights.
Cientistas que trabalham com o Telescópio Espacial James Webb descobriu três objetos astronômicos incomuns no início de 2025, que podem ser exemplos de estrelas escuras. O conceito de estrelas escuras já existe há algum tempo e pode alterar a compreensão dos cientistas sobre como as estrelas comuns se formam. No entanto, seu nome é um tanto enganador.
Ainda assim, o nome capta a essência deste fenômeno. O “escuro” no nome não se refere ao brilho desses objetos, mas ao processo que os faz brilhar – impulsionado por uma substância misteriosa chamada matéria escura. O tamanho desses objetos torna difícil classificá-los como estrelas.
Como físico, sou fascinado pela matéria escura e tenho tentado encontrar uma forma de ver a sua traços usando aceleradores de partículas. Estou curioso para saber se as estrelas escuras poderiam fornecer um método alternativo para encontrar matéria escura.
O que torna a matéria escura escura?
Matéria escuraque representa aproximadamente 27% do universo, mas não pode ser observado diretamente, é uma ideia-chave por trás do fenômeno das estrelas escuras. Os astrofísicos estudam esta substância misteriosa há quase um século, mas não vimos nenhuma evidência direta dela além dos seus efeitos gravitacionais. Então, o que torna a matéria escura escura?
Humanos principalmente observar o universo detectando ondas eletromagnéticas emitido ou refletido por vários objetos. Por exemplo, a lua é visível a olho nu porque reflete a luz solar. Os átomos na superfície da Lua absorvem fótons – as partículas de luz – enviados pelo Sol, fazendo com que os elétrons dentro dos átomos se movam e enviem parte dessa luz em nossa direção.
Telescópios mais avançados detectam ondas eletromagnéticas além do espectro visívelcomo ondas ultravioleta, infravermelhas ou de rádio. Eles usam o mesmo princípio: componentes eletricamente carregados dos átomos reagem a essas ondas eletromagnéticas. Mas como podem detetar uma substância – a matéria escura – que não só não tem carga elétrica, mas também não tem componentes eletricamente carregados?
Embora os cientistas não conheçam a natureza exata da matéria escura, muitos modelos sugerem que ela é composta de partículas eletricamente neutras – aquelas sem carga elétrica. Esta característica torna impossível observar a matéria escura da mesma forma que observamos a matéria comum.
Acredita-se que a matéria escura seja feita de partículas que são suas próprias antipartículas. Antipartículas são as versões “espelho” das partículas. Eles têm a mesma massa, mas carga elétrica oposta e outras propriedades. Quando uma partícula encontra sua antipartícula, os dois se aniquilam em uma explosão de energia.
Se as partículas de matéria escura fossem suas próprias antipartículas, elas se aniquilariam ao colidirem umas com as outras, liberando potencialmente grandes quantidades de energia. Os cientistas prevêem que este processo desempenha um papel fundamental na formação de estrelas escuras, desde que a densidade das partículas de matéria escura no interior destas estrelas seja suficientemente elevada. A densidade da matéria escura determina com que frequência as partículas da matéria escura se encontram e se aniquilam. Se a densidade de matéria escura dentro das estrelas escuras fosse alta, elas seriam aniquiladas com frequência.
O que faz uma estrela negra brilhar?
O conceito de estrelas escuras deriva de uma questão fundamental, ainda não resolvida, na astrofísica: Como as estrelas se formam? Na visão amplamente aceita, nuvens de hidrogênio e hélio primordiais – os elementos químicos formados nos primeiros minutos após o Big Bangaproximadamente 13,8 bilhões de anos atrás — entrou em colapso sob a gravidade. Eles esquentaram e iniciou a fusão nuclearqual formou elementos mais pesados do hidrogênio e do hélio. Este processo levou à formação da primeira geração de estrelas.
Na visão padrão da formação estelar, a matéria escura é vista como um elemento passivo que apenas exerce uma atração gravitacional sobre tudo ao seu redor, incluindo o hidrogênio e o hélio primordiais. Mas e se a matéria escura tivesse um papel mais ativo no processo? Essa é exatamente a pergunta que um grupo de astrofísicos criados em 2008.
No ambiente denso do universo primitivo, as partículas de matéria escura seriam colidir e aniquilar uns aos outrosliberando energia no processo. Essa energia poderia aquecer o gás hidrogênio e hélio, evitando seu colapso adicional e atrasando, ou mesmo impedindo, a ignição típica da fusão nuclear.
O resultado seria um objeto semelhante a uma estrela – mas alimentado pelo aquecimento da matéria escura em vez da fusão. Ao contrário das estrelas normais, estas estrelas escuras poderiam viver muito mais tempo porque continuariam a brilhar enquanto atraíssem matéria escura. Esta característica as tornaria distintas das estrelas comuns, já que a sua temperatura mais fria resultaria em emissões mais baixas de várias partículas.
Podemos observar estrelas escuras?
Várias características únicas ajudam os astrônomos identificar potenciais estrelas escuras. Primeiro, esses objetos devem ser muito antigos. À medida que o universo se expande, a frequência da luz proveniente de objetos distantes da Terra diminuimudando em direção à extremidade infravermelha do espectro eletromagnético, o que significa que fica “desviado para o vermelho”. O objetos mais antigos aparecem com maior desvio para o vermelho aos observadores.
Como as estrelas escuras se formam a partir hidrogênio e hélio primordiaisespera-se que contenham pouco ou nenhum elemento mais pesado, como o oxigênio. Eles seriam muito grandes e mais frios na superfície, mas altamente luminosos porque seu tamanho – e a área de superfície que emite luz – compensam o menor brilho superficial.
Espera-se também que sejam enormes, com raios de cerca de dezenas de unidades astronômicas — uma medida de distância cósmica igual à distância média entre a Terra e o sol. Acredita-se que algumas estrelas escuras supermassivas alcancem massas de cerca de 10.000 a 10 milhões de vezes a do Sol, dependendo da quantidade de matéria escura e de gás hidrogênio ou hélio que podem acumular durante seu crescimento.
Então, os astrônomos observaram estrelas escuras? Possivelmente. Dados do Telescópio Espacial James Webb revelaram alguns objetos com desvio para o vermelho muito alto que parecem mais brilhantes – e possivelmente mais massivos – do que o que os cientistas esperam de galáxias ou estrelas primitivas típicas. Esses resultados levaram alguns pesquisadores a propor que estrelas escuras podem explicar esses objetos.
Estrelas escuras podem explicar os primeiros buracos negros
O que acontece quando uma estrela escura fica sem matéria escura? Depende do tamanho da estrela escura. Para as estrelas escuras mais leves, o esgotamento da matéria escura significaria que a gravidade comprimiria o hidrogénio restante, desencadeando a fusão nuclear. Neste caso, a estrela escura acabaria por se tornar uma estrela comum, então algumas estrelas podem ter começado como estrelas escuras.
Estrelas escuras supermassivas são ainda mais intrigantes. No final da sua vida, uma estrela escura supermassiva morta entraria em colapso diretamente em um buraco negro. Este buraco negro poderia iniciar a formação de um buraco negro supermassivocomo o tipo que os astrônomos observam nos centros das galáxias, incluindo a nossa Via Láctea.
As estrelas escuras também podem explicar como os buracos negros supermassivos se formaram no início do universo. Eles poderiam lançar luz sobre alguns buracos negros únicos observados por astrônomos. Por exemplo, um buraco negro na galáxia UHZ-1 tem uma massa que se aproxima dos 10 milhões de massas solares e é muito antigo – formou-se apenas 500 milhões de anos após o Big Bang. Os modelos tradicionais lutam para explicar como buracos negros tão massivos puderam se formar tão rapidamente.
A ideia de estrelas escuras não é universalmente aceita. Essas candidatas a estrelas escuras ainda podem acabar sendo apenas galáxias incomuns. Alguns astrofísicos argumentam que o acréscimo de matéria – um processo no qual objetos massivos atraem a matéria circundante — por si só pode produzir estrelas massivas, e que os estudos que utilizam observações do telescópio James Webb não conseguem distinguir entre estrelas comuns massivas e estrelas escuras menos densas e mais frias.
Os pesquisadores enfatizam que precisarão de mais dados observacionais e avanços teóricos para resolver esse mistério.
