As Imortais do Cosmos: Quando o Universo se apagar, elas ainda brilharão

Ilustração de uma anã vermelha, estrela frugal com uma vida quase eterna — A baixa luminosidade de uma anã vermelha confere-lhe uma vida quase eterna. Lembra-nos que vivemos na primeira era das estrelas, uma era em que a maioria delas ainda brilha. Em trilhões de anos, apenas essas imortais frugais permanecerão, testemunhas silenciosas de um Universo no qual terão visto nascer, radiar e morrer todas as outras luzes.
Fonte da imagem: astronoo.com (nova janela)

Resumo científico

As anãs vermelhas, estrelas de massa muito baixa (0,1 a 0,4 massa solar), são as "imortais" do cosmos. Seu consumo de hidrogênio é extremamente lento porque sua luminosidade cresce com a potência 4 de sua massa (L ∝ M⁴). Uma anã vermelha de 0,1 massa solar pode viver mais de 6 000 bilhões de anos, mil vezes a idade atual do Universo. Totalmente convectivas, elas exploram quase todas as suas reservas de hidrogênio. Seu fim será sem brilho: uma lenta contração em anã branca, e depois em uma anã negra teórica.

Quais são essas estrelas imortais que sobreviverão a todas as outras?

São as anãs vermelhas, estrelas de massa muito baixa (cerca de 0,1 a 0,4 massas solares). Seu consumo de hidrogênio é extremamente lento porque sua luminosidade aumenta com a quarta potência de sua massa (L ∝ M⁴). Uma anã vermelha de 0,1 massa solar pode viver mais de 6 trilhões de anos – mil vezes a idade atual do Universo. Elas brilharão muito depois de todas as outras estrelas se terem apagado.

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Por que algumas estrelas ainda estarão vivas daqui a um trilhão de anos?

O Universo tem cerca de 13,8 bilhões de anos. Já é um número impressionante, mas irrisório comparado à vida potencial de certas estrelas. Enquanto as gigantes azuis brilham intensamente e se apagam em alguns milhões de anos, outra família de astros pode atingir a imortalidade. Como isso é possível? A resposta está no próprio motor das estrelas: a fusão nuclear.

Uma estrela vive enquanto transforma hidrogênio em hélio em seu núcleo. A massa do astro dita o ritmo dessa combustão. Quanto mais massiva é uma estrela, maior é sua pressão interna e mais rápida e violenta é a fusão. Ao contrário, as estrelas mais leves, as anãs vermelhas (estrelas de baixa massa, menos de 0,5 massas solares), consomem seu combustível com extrema parcimônia. Sua vida pode, então, atingir milhares de bilhões de anos, mil vezes a idade atual do Universo.

Quanto tempo as estrelas realmente vivem?

Os modelos astrofísicos de estrutura estelar, cujos fundamentos remontam aos trabalhos de Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-1995) e que hoje são aprimorados por códigos de simulação como o MESA, estimam que uma anã vermelha de 0,1 massa solar pode queimar pacificamente por mais de 6.000 bilhões de anos. Esse resultado decorre de uma relação simples, mas formidável: a vida de uma estrela (t) é proporcional às suas reservas de combustível (sua massa M) divididas pela velocidade com que as consome (sua luminosidade L): \( t \sim \frac{M}{L} \)

A luminosidade de uma estrela aumenta muito rapidamente com sua massa, de acordo com a relação empírica \( L \propto M^4 \). Combinando as duas, obtemos: \( t \propto \frac{M}{M^4} = M^{-3} \)

Uma estrela dez vezes menos massiva que o Sol viveria, portanto, cerca de \( 10^3 = 1.000 \) vezes mais, o que já coloca sua vida na casa dos milhares de bilhões de anos. Acrescentando o fato de que as anãs vermelhas são totalmente convectivas, utilizando quase a totalidade de suas reservas de hidrogênio — onde o Sol consome apenas uma fração —, atingimos facilmente fatores de 1.000 a 10.000 em relação à vida do Sol.

Classificação estelar: da mais massiva à mais frugal
Tipo estelar	Massa (M☉)	Duração de vida (anos)	Exemplo de estrela	Particularidade
Gigante azul	~ 20	~ 8 milhões	Rigel (β Orionis)	Uma das estrelas mais brilhantes do céu, embora distante.
Gigante azul	~ 15	~ 15 milhões	Spica (α Virginis)	Estrela binária massiva cujo componente principal é muito quente.
Gigante azul	~ 10	~ 30 milhões	Alnilam (ε Orionis)	Estrela central do Cinturão de Órion, terminará em supernova.
Estrela massiva	~ 8	~ 100 milhões	Naos (ζ Puppis)	Estrela de tipo espectral O, extremamente quente e luminosa.
Estrela intermediária	~ 3	~ 500 milhões	Mintaka (δ Orionis)	Estrela múltipla, cuja massa ainda é suficiente para uma vida relativamente breve.
Estrela amarelo-branca	~ 1,8	~ 2 bilhões	Sírius A (α Canis Majoris)	A estrela mais brilhante do céu noturno, mais massiva que o Sol.
Estrela amarela	~ 1	~ 10 bilhões	Sol	Nossa estrela, referência para todas as comparações.
Anã laranja	~ 0,7	~ 25 bilhões	Alpha Centauri B	Companheira da vizinha mais próxima do Sol, com uma vida mais longa que a nossa estrela.
Anã vermelha	~ 0,4	~ 200 bilhões	Gliese 581	Famosa por seu sistema planetário, incluindo Gliese 581c.
Anã vermelha	~ 0,12	~ 6.000 bilhões	Próxima Centauri (GJ 551)	A estrela mais próxima do Sol (4,22 al), muito ativa apesar de sua baixa massa.

N.B.: Abaixo do limite (0,08 M☉), o objeto não tem pressão e temperatura internas suficientes para iniciar e manter a fusão de hidrogênio em hélio. Trata-se, então, de uma anã marrom, às vezes chamada de "estrela falhada".

E depois? O destino das estrelas quase eternas

O que será dessas estrelas frugais no final de suas vidas, em um futuro tão distante que todas as outras estrelas já terão se apagado há muito tempo? Seu fim será sem brilho: elas se contrairão lentamente sobre si mesmas, sem explosão, sem sobressalto.

À medida que seu hidrogênio se esgotar, elas se transformarão em anãs brancas de hélio (estrela degenerada composta principalmente de hélio, estágio final das anãs vermelhas), cadáveres estelares que não produzirão mais nenhuma energia por fusão. Esses cadáveres estelares irradiarão seu calor residual no vazio, resfriando até se tornarem anãs negras: objetos frios, densos e invisíveis, cuja existência ainda é puramente teórica, pois o Universo não é velho o suficiente para ter produzido uma sequer.

FAQ: Tudo sobre as estrelas imortais (anãs vermelhas)

Por que uma estrela menos massiva vive muito mais tempo?

A vida útil de uma estrela é proporcional à sua massa dividida pela sua luminosidade (t ∼ M/L). No entanto, a luminosidade aumenta muito rapidamente com a massa, de acordo com a relação L ∝ M⁴. Uma estrela dez vezes menos massiva que o Sol vive, portanto, cerca de 10³ = 1.000 vezes mais. Além disso, as anãs vermelhas são totalmente convectivas, utilizando assim quase todas as suas reservas de hidrogênio.

Qual é a diferença entre uma anã vermelha e uma anã castanha?

O limite está em torno de 0,08 massas solares (8% da massa do Sol). Abaixo deste limiar, o objeto não atinge pressão e temperatura internas suficientes para iniciar e manter a fusão do hidrogênio em hélio. Trata-se então de uma anã castanha, por vezes chamada de "estrela falhada", que não é uma verdadeira estrela.

O que acontece às anãs vermelhas no final das suas vidas?

O seu fim é sem espetáculo: contraem-se lentamente transformando-se em anãs brancas de hélio, cadáveres estelares que já não produzem energia por fusão. Irradiam então o seu calor residual até se tornarem anãs negras, objetos frios, densos e invisíveis. No entanto, o Universo ainda não tem idade suficiente (13,8 mil milhões de anos) para que uma única anã negra se tenha formado.