Um buraco negro de massa inexplicável: as observações do James Webb revelam um quasar maduro na aurora cósmica
O Telescópio Espacial James Webb (JWST) observou uma galáxia numa fase particularmente jovem do Universo. Olhando para o passado, tornou-se claro que a luz da galáxia J1120+0641 demorou quase tanto tempo a chegar à Terra como o Universo demorou a desenvolver-se até aos dias de hoje.
É inexplicável como é que o buraco negro no centro da galáxia J1120+0641 podia pesar mais de mil milhões de massas solares na sua fase jovem, tal como demonstraram medições independentes. Os resultados deste estudo foram publicados na revista Nature Astronomy.
As observações recentes da matéria na proximidade do buraco negro deveriam revelar um mecanismo de alimentação particularmente eficaz, mas não encontraram nada de especial. Este resultado é ainda mais extraordinário: pode significar que os astrofísicos sabem menos sobre o desenvolvimento das galáxias do que pensavam. E, no entanto, não são de modo algum dececionantes.
Os primeiros mil milhões de anos da história cósmica constituem um desafio: os primeiros buracos negros conhecidos nos centros das galáxias têm massas surpreendentemente grandes. Como é que se tornaram tão massivos, tão rapidamente? As novas observações fornecem fortes provas contra algumas explicações propostas, nomeadamente contra um "modo de alimentação ultra-eficaz" para os primeiros buracos negros.
Os limites do crescimento dos buracos negros supermassivos
As estrelas e as galáxias mudaram de forma bastante significativa nos últimos 13,8 mil milhões de anos, o tempo de vida do Universo. As galáxias cresceram e adquiriram mais massa, quer consumindo o gás circundante, quer (ocasionalmente) fundindo-se umas com as outras.
Durante muito tempo, os astrónomos assumiram que os buracos negros supermassivos nos centros das galáxias teriam crescido gradualmente juntamente com as próprias galáxias. Mas o crescimento dos buracos negros não pode ser arbitrariamente rápido. A matéria que cai sobre um buraco negro forma um "disco de acreção" rodopiante, quente e brilhante.
Quando isto acontece em torno de um buraco negro supermassivo, o resultado é um núcleo galáctico ativo. Os objetos mais brilhantes, conhecidos como quasares, estão entre os objetos astronómicos mais brilhantes de todo o cosmos. Mas esse brilho limita a quantidade de matéria que pode cair sobre o buraco negro: a luz exerce uma pressão que pode impedir a entrada de matéria adicional.
Como é que os buracos negros se tornaram tão massivos, tão rapidamente?
É por isso que os astrónomos ficaram surpreendidos quando, nos últimos vinte anos, observações de quasares distantes revelaram buracos negros muito jovens que, no entanto, tinham atingido massas tão elevadas como 10 mil milhões de massas solares.
A luz leva tempo a viajar de um objeto distante até nós, pelo que olhar para objetos distantes significa olhar para um passado longínquo. Vemos os quasares mais distantes conhecidos, tal como eram numa época conhecida como "aurora cósmica", menos de mil milhões de anos após o Big Bang, quando se formaram as primeiras estrelas e galáxias.
Explicar estes primeiros buracos negros massivos é um desafio considerável para os atuais modelos de evolução das galáxias. Será que os primeiros buracos negros eram muito mais eficientes a acrecentar gás do que os seus homólogos atuais? Ou poderá a presença de poeira afetar as estimativas de massa dos quasares de tal forma que os investigadores sobrestimem as massas dos primeiros buracos negros? Atualmente, existem inúmeras explicações propostas, mas nenhuma é amplamente aceite.
Observação de um dos mais antigos buracos negros
A análise das observações coube à Dra. Sarah Bosman, investigadora de pós-doutoramento no Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) e membro do consórcio europeu MIRI. As contribuições do MPIA para o instrumento MIRI incluem a construção de uma série de peças internas importantes.
Foi pedido a Bosman que se juntasse à colaboração MIRI especificamente para trazer conhecimentos especializados sobre a melhor forma de utilizar o instrumento para estudar o universo primitivo, em particular os primeiros buracos negros supermassivos.
As observações foram efetuadas em janeiro de 2023, durante o primeiro ciclo de observações do JWST, e duraram cerca de duas horas e meia. Constituem o primeiro estudo no infravermelho médio de um quasar no período da aurora cósmica, apenas 770 milhões de anos após o Big Bang. A informação não provém de uma imagem, mas de um espetro: a decomposição em arco-íris da luz do objeto em componentes de diferentes comprimentos de onda.
Aparentemente, não só os buracos negros supermassivos, mas também os seus mecanismos de alimentação já estavam completamente "maduros" quando o Universo tinha apenas 5% da sua idade atual.
Ao excluir uma série de soluções alternativas, os resultados apoiam fortemente a ideia de que os buracos negros supermassivos começaram com massas consideráveis desde o início, no jargão da astronomia: que são "primordiais" ou "semeados grandes".
Os buracos negros supermassivos não se formaram a partir de restos de estrelas primitivas, que depois se tornaram massivas muito rapidamente. Devem ter-se formado cedo, com massas iniciais de pelo menos cem mil massas solares, presumivelmente através do colapso de nuvens maciças de gás.
Referência da notícia:
Bosman, S., Álvarez-Márquez, J., Colina, L. et al. A mature quasar at cosmic dawn revealed by JWST rest-frame infrared spectroscopy. Nature Astronomy (2024).