O complexo quebra-cabeça conhecido como “little red dots” (pequenos pontos vermelhos) tornou-se mais completo desde sua descoberta inicial pelo Telescópio Espacial James Webb, da NASA, em 2022. Agora, o espectro de um desses “little red dots” em particular está ajudando a conectar muitas das peças.
Uma equipe de astrônomos liderada por Vasily Kokorev, da Universidade do Texas em Austin, identificou o ponto sortudo em questão: GLIMPSE-17775. Ao analisar cuidadosamente o espectro do ponto capturado pelo Webb — o espectro mais profundo até hoje de um “little red dot” —, o grupo de pesquisa identificou múltiplas linhas de evidência, todas apoiando a interpretação de que o GLIMPSE-17775 é um buraco negro supermassivo envolto por um casulo denso de gás parcialmente ionizado, um modelo chamado de cenário BH* (black hole star, “estrela de buraco negro”). Um artigo descrevendo os resultados foi publicado hoje no The Astrophysical Journal.
“Acho que parte da comunidade científica está convergindo para uma imagem singular — que os ‘little red dots’ podem ser explicados por modelos de ‘estrela de buraco negro’. Mas nenhum dos ‘little red dots’ anteriores tinha todas as peças de evidência no mesmo lugar”, disse Kokorev, autor principal do estudo. “Com o GLIMPSE-17775, podemos testar esses modelos por causa da profundidade e da qualidade impressionante do espectro desta fonte.”
Embora o objetivo principal das observações do Telescópio Espacial James Webb, da NASA, do aglomerado de galáxias Abell S1063 fosse procurar uma certa população de estrelas, cientistas obtiveram um espectro detalhado de GLIMPSE-17775 a partir do conjunto de dados. Este “little red dot” está localizado atrás de Abell S1063.
Imagem: NASA, ESA, CSA, Vasily Kokorev (UT Austin); Processamento de imagem: Alyssa Pagan (STScI)
Conectando as peças do quebra-cabeça
Logo depois que o Webb começou suas operações científicas, ele descobriu um novo e misterioso tipo de objeto no universo muito jovem — objetos vermelhos abundantes que surgiram cerca de 600 milhões de anos após o big bang. Os cientistas exploraram múltiplas explicações para esses “little red dots”, incluindo o cenário de “estrela de buraco negro” .
Um conjunto de circunstâncias favoráveis deu origem a este novo e elaborado espectro de um “little red dot”. O “little red dot” que viria a ser conhecido como GLIMPSE-17775 foi incluído, com sorte, nos esforços de imageamento e espectroscopia do Webb para um projeto que buscava observar estrelas População III e galáxias tênues no aglomerado de galáxias Abell S1063. Este “little red dot” é mais distante do que o aglomerado e é amplificado por lente gravitacional . (GLIMPSE-17775 tem um desvio para o vermelho cosmológico de 3,5, o que significa que existia cerca de 1,8 bilhão de anos após o big bang.)
Enquanto o Webb forneceu um espectro de 30 horas do “little red dot”, o efeito da lente gravitacional tornou isso equivalente a 80 horas de tempo de telescópio. Essa combinação da sensibilidade do Webb no infravermelho e da “lente de aumento” natural da própria natureza amplificou a quantidade de detalhes que pôde ser extraída do GLIMPSE-17775. O resultado foi mais de 40 linhas espectrais para esta pequena fonte avermelhada, que é o espectro de “little red dot” mais detalhado até hoje.
“Quando vimos o espectro pela primeira vez, foi como ter todas as peças de um quebra-cabeça espalhadas no chão”, disse Kokorev. “Pegamos cada peça, medimos as linhas e começamos a combinar as diferentes peças em um mosaico. Talvez algumas peças parecessem não significar nada no começo, mas então algumas delas se juntaram, e percebemos que havia algo ali.”
Os dados espectroscópicos coletados pelo Webb contêm múltiplas linhas de evidência que apoiam a interpretação de que o “little red dot” GLIMPSE-17775 é uma “estrela de buraco negro”: um buraco negro que está se acrecionando rapidamente, ou crescendo, envolto por um casulo denso de gás, que reprocessa a luz emitida nas proximidades do buraco negro e produz as características vistas no espectro.
Imagem: Evidência de uma ‘estrela de buraco negro’
O Telescópio Espacial James Webb, da NASA, capturou o espectro mais profundo até hoje de um “little red dot”. Mais de 40 linhas espectrais foram identificadas nos dados, muitas das quais apoiam independentemente a teoria de que o GLIMPSE-17775 está envolto por um casulo quente e denso de gás.
Ilustração: NASA, ESA, CSA, Vasily Kokorev (UT Austin); Designer: Leah Hustak (STScI)
Linhas de evidência
Entre as mais de 40 linhas que a equipe detectou no espectro do GLIMPSE-17775 estavam vários indicadores independentes que se alinham com o cenário BH*. Por exemplo, a equipe descobriu que muitas das linhas espectrais, como as de hidrogênio, oxigênio e hélio, não se encaixam em um modelo simples de uma nuvem de gás em rotação. Em vez disso, o melhor modelo inclui um efeito de alargamento conhecido como espalhamento por elétrons, um sinal característico de que um casulo denso e em camadas de gás está envolvendo esta fonte.
A intensidade e as proporções de certas linhas entre si, especialmente as 16 linhas de ferro que compõem o que a equipe chamou de “floresta de ferro”, além de algumas linhas de oxigênio, exigem uma fonte de alta energia para produzi-las, como um buraco negro que se acreciona rapidamente. Além disso, astrônomos observaram a fluorescência e a absorção do hélio no espectro, e ambas, individualmente, sugerem que existe um meio denso envolvendo uma fonte poderosa.
O cenário BH* não apenas se ajusta ao GLIMPSE-17775; ele também explica por que a maioria dos “little red dots” é fraca em raios X, já que qualquer emissão desse tipo provavelmente é absorvida pelo casulo denso de gás.
Uma peça que falta no quebra-cabeça do GLIMPSE-17775 é a parte do espectro que revelaria o que é conhecido como “quebra de Balmer” (Balmer break), ou uma queda forte na luz emitida, uma assinatura característica dos “little red dots”. Para construir uma compreensão mais abrangente deste “little red dot”, a equipe incorporou dados complementares de dois programas de observação que usaram o Telescópio Espacial Hubble, da NASA: os programas Frontier Fields e BUFFALO (Beyond Ultra-deep Frontier Fields And Legacy Observations).
Os dados do Webb e do Hubble, juntos, ajudam a explicar por que a quebra de Balmer é mais fraca do que a tipicamente encontrada em outros “little red dots”: uma galáxia hospedeira gigante está cercando o GLIMPSE-17775. Embora a galáxia hospedeira de um “little red dot” não seja algo que tenha sido usualmente visto nesse nível de escala antes, isso não é incompatível com o modelo do casulo denso de gás. O modelo de “estrela de buraco negro” para os “little red dots” atribui o excesso de luz azul às estrelas da galáxia hospedeira.
Quando o Webb descobriu os “little red dots”, alguns pesquisadores pensaram que esses objetos tinham “quebrado a cosmologia”, sem saber como as galáxias poderiam ter crescido tão grandes e tão rapidamente no universo inicial para explicar toda essa luz proveniente de suas estrelas. No entanto, a equipe acredita que a peça do quebra-cabeça do GLIMPSE-17775 se encaixa bem na estrutura existente da história evolutiva do universo, porque as massas dos buracos negros não precisam ser tão altas para explicar as amplas linhas de emissão.
“Tudo se encaixa, nada está quebrado, e eu acho que isso torna o quebra-cabeça do nosso universo ainda melhor”, disse Kokorev. “Para frente, estou ansioso para me aprofundar e aprender sobre o que está alimentando os motores centrais dos ‘little red dots’. Embora acreditemos que seja um buraco negro, há algumas outras teorias interessantes sendo propostas, o que é empolgante. Talvez em um ano ou dois, tenhamos a resposta final sobre o que alimenta essas fontes.”
O Telescópio Espacial James Webb é o principal observatório de ciência espacial do mundo. O Webb está solucionando mistérios em nosso sistema solar, olhando além para mundos distantes ao redor de outras estrelas e investigando as estruturas misteriosas e as origens do nosso universo e do nosso lugar nele