Durante duas décadas, o astrônomo Bob Benjamin, afiliado à Universidade de Wisconsin-Whitewater, tem se dedicado à desafiadora tarefa de desvendar a estrutura da Via Láctea. Dada a posição da Terra dentro desta galáxia, os astrônomos não podem observá-la externamente, o que complica significativamente seus esforços de mapeamento. No entanto, soluções inovadoras foram desenvolvidas para superar este obstáculo. Benjamin e seus colegas concebem a Via Láctea como uma galáxia de forma barrada com um núcleo denso, circundada por um disco em camadas composto de gás e estrelas. Esta estrutura é caracterizada por braços espirais que se estendem pelo disco, envoltos em um halo esférico tênue de estrelas.

Historicamente, a compreensão da Via Láctea tem sido comparada à parábola dos homens cegos e do elefante, ilustrando como diferentes observações podem levar a interpretações fragmentadas da realidade. Esse paradigma começou a mudar com o advento de novas tecnologias e projetos de mapeamento estelar. Notavelmente, o observatório espacial Gaia, operado pela Agência Espacial Europeia, tem desempenhado um papel crucial, mapeando aproximadamente 1,8 bilhão de estrelas até 2023, um avanço significativo em relação aos 2,5 milhões mapeados pelo seu predecessor, Hipparcos, em 1993.

Além do Gaia, diversos outros projetos, como o Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE) do Sloan Digital Sky Survey, o Milky Way Mapper (MWM), o Radial Velocity Experiment (RAVE), o Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST), a Galactic Archaeology with HERMES (GALAH), o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) e o Hectochelle no Halo em Alta Resolução (H3), têm contribuído significativamente. Estes projetos coletaram imagens e espectros de milhões de estrelas, permitindo a criação dos primeiros mapas tridimensionais precisos da Via Láctea, juntamente com registros detalhados dos movimentos estelares.

Esses avanços têm revelado uma Via Láctea não como uma estrutura em equilíbrio estático, mas como uma galáxia em constante evolução e complexidade. A nova perspectiva destaca uma história tumultuada, fornecendo insights sobre a formação e a evolução de estrelas dentro da galáxia. Charlie Conroy, da Universidade de Harvard, descreve este período como “o maior aumento no conhecimento astronômico desde sempre”, enfatizando a magnitude das descobertas recentes. Conforme expresso por Benjamin: “Oh, meu Deus, é real. E, oh, meu Deus, está uma bagunça.” Este comentário reflete a surpresa e o entusiasmo que acompanham a constante evolução do nosso entendimento sobre a Via Láctea.

O estudo das estrelas, uma prática iniciada há aproximadamente 4.000 anos pelos antigos mesopotâmicos, representa uma das mais antigas formas de astronomia. Esses antigos astrônomos observaram o Sol, a Lua e os planetas, que se deslocavam em relação às constelações zodiacais, como o Verdadeiro Pastor do Céu, o Velho, Pabilsag, o Peixe-Cabra e o Homem Contratado. Essas constelações eram consideradas criações do deus Marduk, destinadas a auxiliar os humanos na organização de suas vidas e do calendário anual. Por exemplo, a idade de um recém-nascido era determinada pela posição lunar em relação a estas constelações. Os mesopotâmicos utilizavam estrelas específicas, posteriormente denominadas ‘estrelas normais’, para rastrear os movimentos celestes, medindo as distâncias diárias entre estas estrelas e corpos celestes como a Lua e os planetas.

Em torno de 120 a.C., o astrônomo grego Hiparco inovou ao substituir a observação direta pelo uso de um sistema universal de longitude e latitude para mapear as estrelas. Este avanço pavimentou o caminho para descobertas subsequentes. A partir do início do século XVII, avanços tecnológicos permitiram o desenvolvimento de telescópios mais potentes, seguidos pela incorporação de câmeras e espectrógrafos, que facilitaram a análise da luz estelar. Posteriormente, satélites foram lançados para realizar observações acima da atmosfera terrestre, livres de distorções atmosféricas. Um exemplo notável é o satélite Gaia, capaz de alcançar uma precisão inédita na medição de posições estelares, equivalentes à largura de um fio de cabelo humano observado a uma distância de 1.000 quilômetros. Essa precisão permitiu aos astrônomos identificar estruturas na Via Láctea que revelam aspectos significativos de sua história.

Uma das pesquisadoras que contribuíram significativamente para este campo é Ana Bonaca, que demonstrou interesse pela galáxia desde o ensino secundário e recentemente assumiu um cargo docente nos Observatórios Carnegie, em Pasadena, Califórnia. Bonaca especializou-se no estudo do halo estelar da Via Láctea, utilizando dados do Sloan Digital Sky Survey (SDSS) para identificar estruturas neste halo, anteriormente considerado homogêneo e pouco característico. Ela focou na pesquisa de correntes estelares, descobrindo, por exemplo, o fluxo estelar chamado Triângulo. Acredita-se que essas correntes se originem de pequenas galáxias satélites da Via Láctea, cujas estrelas foram arrancadas e estendidas em longas correntes devido às forças de maré gravitacionais.

Para confirmar a origem destas correntes estelares, é necessário demonstrar que as estrelas nelas contidas compartilham características químicas e idades similares, evidenciando um nascimento comum em uma mesma nuvem de gás. As estrelas, ao longo de suas vidas, transformam elementos mais leves em mais pesados, um processo que enriquece a composição química das gerações subsequentes de estrelas nascidas na mesma galáxia. Portanto, a análise da composição química das estrelas em uma corrente estelar pode revelar informações valiosas sobre sua origem e evolução.

Em segundo lugar, as estrelas num fluxo devem partilhar os mesmos movimentos. Os movimentos em direção ou afastamento de nós são fáceis de calcular a partir dos espectros das estrelas, mas as medições dos seus chamados movimentos próprios no céu têm sido imprecisas. “Se as barras de erro forem muito grandes, você não conseguirá ver o fluxo”, diz Amina Helmi, da Universidade de Groningen, na Holanda, que deu nome ao fluxo Helmi. “Estávamos esperando desesperadamente por Gaia.”

Em 2016, Gaia começou a divulgar a sua riqueza de dados — composições químicas, idades e localizações e movimentos tridimensionais precisos, incluindo movimentos próprios — de milhares de milhões de estrelas. Com os dados do Gaia e medições de outras pesquisas, nomeadamente do APOGEE do SDSS, os astrônomos foram capazes de identificar com segurança quais as estrelas que nasceram fora da Via Láctea e imigraram e quais nasceram aqui, “in situ”. Eles puderam não apenas verificar fluxos de estrelas estrangeiras , mas também rastrear a órbita de cada fluxo até sua própria pequena galáxia.

Em 2021, os astrônomos encontraram 60 correntes no halo; 23 deles provavelmente tiveram locais de nascimento em galáxias anãs ou nos aglomerados globulares da Via Láctea (bolas misteriosas de até um milhão de estrelas que orbitam nossa galáxia). Ao todo, diz Bonaca, havia “10 vezes mais fluxos do que antes de Gaia”. As estrelas geralmente têm cerca de 10 bilhões de anos. As idades dos próprios riachos são mais difíceis de estimar, mas provavelmente têm alguns bilhões de anos. Bonaca espera que os astrônomos acabem por encontrar cerca de 100 correntes.

As correntes que atravessam o halo foram alguns dos primeiros sinais da saída da estabilidade da galáxia. Então os cientistas começaram a descobrir outros agrupamentos de estrelas que não seguiam os padrões esperados. Em 2017, Bonaca e sua equipe encontraram um lote de estrelas da Via Láctea no lugar errado: elas estavam no antigo halo pobre em metais e tinham órbitas de estrelas antigas do halo, mas tinham a química rica em metais de estrelas mais jovens do Disco da Via Láctea. Bonaca se perguntou se seriam estrelas do disco que de alguma forma haviam subido até o halo.

No ano seguinte, uma equipa liderada por Vasily Belokurov, da Universidade de Cambridge, encontrou um grupo totalmente diferente de estrelas no halo, que se deslocavam a uma velocidade invulgar e na direção oposta ao resto do halo. Eles nomearam o lote errado, que tinha formato de feijão, Salsicha. Uma equipe diferente, liderada por Helmi, descobriu que as estrelas do feijão também eram velhas e pobres em metal; eles chamaram o feijão de Gaia-Encélado, em homenagem ao filho da deusa da terra Gaia, Encélado. E em 2023, Bonaca e os seus colegas encontraram uma corrente de estrelas com a mesma química antiga, pobre em metais e com movimento na direção errada do feijão, e pensaram que esta corrente provavelmente estava a traçar a queda do feijão na Via Láctea. A comunidade astronômica decidiu pragmaticamente um nome de compromisso para o feijão, Salsicha Gaia-Encélado (GES); o substantivo genérico para uma entidade do tipo GES é “blob”.

Entretanto, a equipa de Belokurov tinha “redescoberto” as estrelas do disco deslocadas da equipa de Bonaca, agora conhecidas por fazerem parte do GES. Por outras palavras, no meio de uma bolha estrangeira de estrelas pobres em metais estava um grupo de estrelas ricas em metais nativas da Via Láctea. Ele e os seus colegas sugeriram que quando o GES colidiu com a nossa galáxia, ele tirou as estrelas nativas das suas órbitas normais no disco e subiu para o halo. Eles chamaram o grupo estrela de Splash.

Juntando as suas bolhas, correntes e salpicos, os astrônomos concluíram que entre oito mil milhões e 10 mil milhões de anos atrás, Encélado – cerca de um quarto do tamanho da Via Láctea – atingiu a nossa galáxia de frente e fundiu-se nela como uma bolha. “De frente, você se choca, desmorona rapidamente e morre”, diz Belokurov. As estrelas GES constituem agora a maior parte do halo da Via Láctea e a fusão engrossou o seu disco. Bonaca chama isso de “o evento mais transformador da história da Via Láctea”.

Transformações mais antigas e menos violentas aconteceram não no halo, mas no próprio corpo da galáxia. Em 2022, três equipes diferentes encontraram sinais de uma protogaláxia aparentemente se transformando em uma galáxia. Mais uma vez, a verificação foi complicada e dependia de saber quais estrelas eram nativas da Via Láctea.

Conroy, de Harvard, fazia parte de uma equipe que mediu a química das estrelas in situ e descobriu duas populações: um grupo era antigo, pobre em metais, movendo-se caoticamente e formando estrelas lentamente; o outro era mais jovem, rico em metais, movendo-se de forma coerente e formando estrelas 10 vezes mais rápido. Os astrônomos pensaram que as populações representavam diferentes estágios da história galáctica e chamaram esses estágios de “fervura” e “ebulição”, respectivamente. Enquanto isso, Belokurov e uma equipe mediram as órbitas das estrelas in situ e também encontraram duas épocas, diz ele: uma antiga com órbitas de estrelas pobres em metais indo “por todos os lados” e uma posterior com estrelas mais ricas em metais que orbitavam mais coerentemente – “uma transição”, diz ele, “de uma bagunça quente para um disco giratório relativamente frio”. Eles chamaram a bagunça quente de Aurora, em homenagem à antiga deusa grega do amanhecer. Hans-Walter Rix, do Instituto Max Planck de Astronomia em Heidelberg, Alemanha, e sua equipe observaram a química de dois milhões de estrelas in situ no céu e encontraram um grupo gravitacionalmente ligado de estrelas antigas e pobres em metais no centro do galáxia. Eles o chamavam de “o pobre e velho coração” da Via Láctea.

Deixando os nomes de lado, todas as três equipes concordam que provavelmente estão estudando a mesma transformação: uma protogaláxia caótica cheia de estrelas velhas e pobres em metais indo em nenhuma direção específica, que então girou em um disco e começou a formar novas estrelas como fogos de artifício. Bonaca, que fazia parte da equipe de Conroy, não tem certeza se as observações convergiram para uma história consistente, “mas parece que estamos vendo algumas das mesmas coisas”, diz ela. “É um pouco como o elefante.”

Sos alcatrões contam apenas parte da história porque a Via Láctea é apenas parcialmente composta por estrelas – o resto é principalmente gás. As estrelas nascem de nuvens de gás, portanto as duas estão intimamente relacionadas. No entanto, os astrônomos que estudam as estrelas e os que estudam o gás trabalham em comunidades em grande parte não sobrepostas. Benjamin pertence a ambos, mas se identifica mais com o povo do gás do que com o povo das estrelas. Como as estrelas nascem no gás e mais tarde enriquecem esse gás com os elementos que produzem, os astrônomos do gás estão interessados ​​em saber como a galáxia permanece viva e, portanto, no seu presente. E como as estrelas mantêm as órbitas e a química das suas origens, os especialistas em estrelas tendem a estar interessados ​​em como a galáxia evoluiu e, portanto, no seu passado. “Eu penso em uma galáxia viva e respirando”, diz Benjamin, “e essas pessoas [estrelas] a tratam como uma cena de crime que precisa de análise forense”.

Os astrônomos só conseguiram mapear nuvens de gás nos últimos 100 anos, porque as nuvens – que são grandes, difusas e escuras – são difíceis de estudar. Os observadores podiam delinear as suas posições no céu, mas só conseguiam aproximar as suas distâncias e formas. Os dados do Gaia permitem aos cientistas detectar nuvens de gás através das suas estrelas, mas o método é indirecto, feito através de um proxy de um proxy.

As nuvens de gás são 99% de gás; o outro 1% é poeira, uma fuligem fina misturada com o gás tão profundamente que um mapa da poeira é mais ou menos um mapa do gás. A poeira pode ser identificada pelo seu efeito na luz das estrelas: as estrelas que brilham através da poeira parecem mais vermelhas e mais escuras. Ao mapear estrelas avermelhadas e esmaecidas, os cientistas podem traçar um contorno da poeira e, portanto, do gás. As nuvens de gás cheias de poeira também são salpicadas de estrelas bem conhecidas e localizadas com precisão, e os astrônomos podem conectar esses pontos estelares para mapear as nuvens. Ainda assim, uma medição tão indirecta, diz João Alves, da Universidade de Viena, é como descrever o elefante “tocando no pêlo da sua cauda” e olhando para “uma parte num milhão do elefante”.

Uma equipe de astrônomos liderada por Catherine Zucker do Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian encontraram uma dúzia ou mais de nuvens longas e filiformes de gás, espalhadas como palitos de dente pelos braços espirais da galáxia, que podem servir como locais de nascimento para a riqueza de novas estrelas dos braços; os descobridores chamam as nuvens de “ossos”. Outra equipe descobriu uma única nuvem de gás muito maior, mas igualmente longa e estreita, que chama de Split. E um terceiro grupo, liderado por Alves, mapeou as nuvens de gás que continham aglomerados de estrelas recém-nascidas – os “berçários estelares locais”, diz Alves. “O choque foi que os viveiros estão todos alinhados numa linha estreita.” Visto de lado, esse alinhamento parece uma onda que, como o Split, porém maior, ondula através do plano da galáxia; os pesquisadores a chamaram de Onda Radcliffe. A Onda Radcliffe é 10 vezes mais longa e 100 vezes mais larga que os ossos.

Uma razão pela qual estes filamentos de gás são interessantes é que eles – especialmente os ossos – provavelmente coincidem com os braços espirais da galáxia, e ninguém ainda sabe quantos braços a galáxia tem. Até agora, os braços parecem menos estruturas coerentes do que braços com penas ramificadas, tornando a contagem de seu número arriscada. Se pudéssemos olhar para a nossa galáxia de fora, provavelmente a veríamos como tendo algo entre os braços desorganizados e manchados de uma chamada espiral floculenta e os braços elegantes e ordenados de uma espiral de “grande desenho”. O consenso: os braços espirais são melhor estudados em galáxias onde não vivemos.

Mais recentemente, outra equipa liderada por Zucker mapeou o que é conhecido como Bolha Local, uma região quase vazia em torno do Sistema Solar feita de gás quente e rarefeito, e encontrou a bolha delineada por grupos de estrelas jovens, todas a mover-se para fora. Os investigadores propuseram que a bolha foi criada há cerca de 14 milhões de anos, quando um aglomerado de estrelas explodiu como supernovas, varrendo o gás ambiente e transportando-o para uma grande esfera em cuja superfície o gás arrefeceu em nuvens e começou a formar as suas próprias estrelas.

Benjamin e outros questionam-se se as estruturas de gás – os ossos, a Divisão, a Onda Radcliffe e a Bolha Local – são variantes da mesma coisa: longos filamentos de gás dentro dos quais nuvens mais pequenas são comprimidas em estrelas. “Você vê essa coisa longa, escura e [empoeirada]”, diz Benjamin, “e então, bum! Há uma pequena bolha brilhante se formando dentro dela, e então você vê mais uma linha escura e depois outra bolha brilhante.” É “como pérolas num colar”, diz Alves.

E talvez Split, Radcliffe Wave e Local Bubble estejam historicamente relacionados. A bolha local fica entre Split e Radcliffe Wave. “Vivemos numa bolha entre uma cobra grande e uma cobra menor”, ​​diz Alves. Ele e os seus companheiros especulam que se pudéssemos retroceder no tempo para ver as localizações e movimentos da Split e da Onda Radcliffe há 15 milhões de anos, descobriríamos que as duas estavam suficientemente próximas para se cruzarem. Mesmo no seu suposto ponto de passagem, onde o gás teria sido mais denso e com maior probabilidade de produzir novas estrelas, os astrônomos observam uma multidão animada de estrelas jovens num grupo de aglomerados denominado associação Escorpião-Centauro, abreviadamente Sco-Cen. Além disso, a intersecção da onda dividida e o Sco-Cen estão no centro da bolha local e, portanto, sem dúvida, a origem da bolha. “Mas isso ainda não é certo”, diz Alves. “Faz todo o sentido que [a interseção seja] de onde veio o gás para formar o Sco-Cen.”

Se a história contada pelas estrelas é a história da formação da galáxia, e se a história contada pelo gás são os ciclos de formação estelar da galáxia, então as estrelas e o gás juntos deveriam mostrar o passado e o presente da galáxia, um filme que revela o que Benjamin chama de “desequilíbrio evolutivo”.

Aqui está o elefante até agora: há treze mil milhões de anos, num universo que tinha então menos de mil milhões de anos, a Via Láctea nasceu como uma nuvem disforme de gás e poeira, formando estrelas pobres em metais e rodando incoerentemente, de modo que a sua as órbitas das estrelas também eram aleatórias. Durante os primeiros mil milhões de anos, nuvens mais pequenas e galáxias anãs colidiram com a Via Láctea bebé, lançando borrifos de estrelas imigrantes e nativas num halo. O gás transportado pelos colisores que chegam também desencadeou mais formação de estrelas na Via Láctea.

Há cerca de 12,5 mil milhões de anos, a galáxia girava de forma mais coerente; um bilhão a dois bilhões de anos depois, ele se transformou em um disco no qual as órbitas das estrelas eram perfeitamente circulares. As estrelas agora formadas em fogo lento, queimaram rapidamente durante suas vidas e morreram de forma explosiva, enriquecendo o gás do qual nasceriam as próximas gerações de estrelas cada vez mais ricas em metais.

Há cerca de dez mil milhões de anos, a galáxia Encélado colidiu com a Via Láctea e, ao longo dos dois mil milhões de anos seguintes, dissolveu-se nela. A Salsicha Gaia Encélado assumiu o controle do halo, acelerou as estrelas no disco espesso da Via Láctea e despejou gás, que, somado ao gás da Via Láctea, aumentou a formação de estrelas. Gradualmente, ao longo dos dois mil milhões de anos seguintes, no interior do disco espesso, o gás e as estrelas estabeleceram-se num disco mais denso e fino e reuniram-se em braços espirais.

Começando há cerca de seis mil milhões de anos, uma galáxia anã chamada Sagitário passou de lado pela Via Láctea e girou em torno dela. Depois disso, a cada centenas de milhões de anos, ele passou novamente pela Via Láctea, sempre “vazando estrelas em um rastro”, diz Belokurov, criando correntes que curvavam-se através do halo da Via Láctea, envolvendo-o duas vezes. Durante os próximos cinco bilhões de anos, outros objetos que chegavam fizeram o mesmo até que toda a Via Láctea ficou cercada por serpentinas. Nessa altura, nos braços espirais do disco fino e concentrado, o gás tinha-se reunido em longos fios – ossos, ondas, fissuras, filamentos – ao longo dos quais as estrelas se iluminavam em aglomerados.

Mais perto do Sol, há cerca de 15 milhões de anos, formaram-se estrelas massivas da associação Sco-Cen, viveram as suas vidas rápidas e explodiram, criando a Bolha Local, em cuja superfície densa se formaram mais estrelas. Os 37 aglomerados que agora formam a associação Sco-Cen dispararam em rajadas aproximadamente a cada cinco milhões de anos, formando mais bolhas com superfícies mais densas formando mais estrelas, garantindo que a vizinhança galáctica espumasse com novas faíscas. As nuvens filamentares não sobrevivem às inundações de radiação provenientes do nascimento das estrelas e, após cinco milhões a 20 milhões de anos, foram “separadas” de volta à galáxia, diz Benjamin. Aí o gás acabará por arrefecer e, sob a influência da gravidade e da rotação, recondensar-se-á em filamentos e depois novamente em estrelas.

E no planeta Terra, talvez há 4.000 anos, um bebé nascido na Mesopotâmia cresceu para saber os nomes das estrelas e constelações como se fossem uma família ou deuses, para os escrever na pedra e usá-los para plantar, medir o tempo e prever vidas. Renomeamos as constelações desde que o deus Marduk as criou: o Touro do Céu é o nosso Touro; Escorpião é o nosso Escorpião; Pabilsag é Sagitário; e o Verdadeiro Pastor do Céu é agora conhecido como Orion. Mas ainda usamos as constelações para nos localizarmos na galáxia, e nomeamos seus lugares, suas nuvens e riachos, por análogos terrestres.

Com os mapas dos novos levantamentos, podemos ver como as constelações se deformaram e mudaram com o tempo e como a galáxia mudou e continuará a mudar. “Podemos avançar e retroceder o filme”, diz Benjamin. “Podemos fazer isso com certeza.”

Os mapas de gás e estrelas estão completos perto do Sol, mas ficam nebulosos mais longe. Em 2023, os astrônomos ainda tinham mapeado apenas cerca de dois mil milhões dos 100 mil milhões de estrelas da Via Láctea. “Se o sol é meu nariz, ainda estamos aqui”, diz Alyssa Goodman, do Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, tocando os dois lados do rosto com as mãos. “E a escala da galáxia está muito além da extremidade dos meus braços. E então estamos apenas tentando chegar aqui, aqui, aqui.” A cada “aqui”, ela move as mãos cada vez mais para fora até que seus braços fiquem bem abertos, medindo a escala da Via Láctea com seu corpo humano, levando a galáxia tão pessoalmente quanto qualquer bebê mesopotâmico.