Qual veio primeiro, a galáxia ou o buraco negro? Não sabemos, mas cientistas há muito pensam que poderia ser a galáxia: estrelas massivas dentro de uma galáxia já existente consomem seu combustível e entram em colapso para formar buracos negros, que podem “engolir” material ao redor e se fundir ao longo do tempo para formar entidades ainda mais massivas.
Mas é difícil entender como buracos negros supermassivos, milhões a bilhões de vezes a massa do Sol, dos quais milhares já foram detectados no início do universo, poderiam ter crescido tão rapidamente a partir de sementes tão pequenas.
Agora, pesquisadores usando o Telescópio Espacial James Webb da NASA detectaram evidências claras de que alguns buracos negros supermassivos já eram enormes desde o começo, formando-se sem uma fase de colapso estelar e sem uma galáxia hospedeira significativamente mais massiva para alimentá-los.
“Este é um resultado notável”, disse Roberto Maiolino, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, coautor de estudos publicados na Nature e no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. “É uma mudança de paradigma, uma revisão total dos cenários clássicos de como os buracos negros se formam e crescem.”
A conclusão da equipe se baseia em observações detalhadas de Abell2744-QSO1 (QSO1), um Little Red Dot prototípico que existiu apenas 700 milhões de anos após o big bang.
Embora o QSO1 tenha apenas 1.300 anos-luz de extensão e sua luz esteja viajando há mais de 13 bilhões de anos, é mais fácil estudá-lo do que a maioria dos outros Little Red Dots porque ele é gravitacionalmente lentificado por Abell 2744, o aglomerado de galáxias (Pandora’s Cluster). O QSO1 é tanto ampliado quanto aparece em três imagens, em três posições diferentes no céu.
Estudos iniciais do QSO1 revelaram evidências convincentes de que ele pode ser pouco mais do que uma nuvem de gás de hidrogênio e hélio brilhante orbitando um buraco negro supermassivo estimado em 40 milhões de vezes a massa do Sol. Mas, como acontece com outros buracos negros primitivos descobertos pelo Webb, havia incerteza sobre se ele realmente era tão massivo.
“Antes disso, todas as medições de massa de buracos negros no universo inicial eram indiretas, baseadas em suposições sobre o que sabemos deles no universo local. Não sabíamos se essas suposições realmente se aplicam ao universo distante”, disse o coautor Francesco D’Eugenio, também da Universidade de Cambridge.
Imagem: Little Red Dot Abell2744-QSO1 (imagem do NIRCam)
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Uma imagem do NIRCam, no Telescópio Espacial James Webb da NASA, mostra o Little Red Dot Abell2744-QSO1, ampliado e em três imagens pelo aglomerado de galáxias Abell 2744 (Pandora’s Cluster).
Imagem: NASA, ESA, CSA, Lukas Furtak (Ben-Gurion University); Processamento de imagem: Alyssa Pagan (STScI)
Mapeando composição e velocidade do gás
A equipe reconheceu que, se o buraco negro do QSO1 tiver a massa que parece ter, eles deveriam conseguir usar a unidade de campo integral (IFU) do NIRSpec do Webb (Near Infrared Spectrograph) para rastrear os efeitos da gravidade dele no gás que gira ao redor, além de mapear a distribuição de vários elementos no gás.
O estudante de pós-graduação Ignas Juodžbalis, da Universidade de Cambridge, e Cosimo Marconcini, da Universidade de Florença, autores principais de um dos estudos, usaram as observações com a IFU para mapear os movimentos do gás de hidrogênio ao redor do buraco negro. Quando eles traçaram a velocidade de rotação em função da distância do centro, descobriram que o gás tem movimento kepleriano: ele orbita um ponto central do mesmo modo que os planetas do nosso sistema solar orbitam o Sol.
“Isso é importante porque nos diz que a maior parte da massa do QSO1 está concentrada no buraco negro no centro”, disse Juodžbalis. “Se a massa estivesse distribuída de forma mais ampla, como aconteceria se houvesse muitas estrelas, o gás não teria essa rotação kepleriana perfeita.”
Como o movimento kepleriano é regido por leis simples de gravidade, a equipe conseguiu usar as medições de velocidade do gás para calcular a massa do buraco negro diretamente, um feito que não era possível antes.
Eles descobriram que não apenas o buraco negro é imenso — aproximadamente 50 milhões de massas solares — como ele representa, no mínimo, uma fração impressionante de dois terços da massa total do QSO1. Essa proporção é milhares de vezes maior do que em galáxias próximas, onde buracos negros supermassivos representam apenas uma fração ínfima da massa total da galáxia hospedeira.
Os mapas de composição obtidos pela IFU corroboraram esses resultados, mostrando que o gás em todo o QSO1 é quase inteiramente hidrogênio e hélio, com muito pouco dos elementos mais pesados, como oxigênio, que seriam esperados em uma galáxia rica em estrelas e em detritos estelares. Com uma metalicidade inferior a 0,5% da do Sol, o QSO1 está entre os ambientes galácticos mais primordiais já medidos.
“Este é um resultado fenomenal”, disse Maiolino. “É a primeira medição direta da massa de um buraco negro dentro do primeiro bilhão de anos após o big bang, e é consistente com as medições anteriores.” A equipe considera que isso é um bom sinal de que as suposições usadas para medições indiretas de massa são válidas e de que as massas de outros buracos negros no universo inicial não foram superestimadas.
Origens de buracos negros supermassivos
A massa desproporcional do QSO1 em relação à sua galáxia hospedeira sugere que ele não pode ter se formado gradualmente a partir da fusão e alimentação por buracos negros de massa estelar muito menores. “Parece que encontramos um buraco negro que não tem uma galáxia hospedeira substancial e que antecedeu processos estelares”, disse Juodžbalis. “Isso é muito empolgante porque é evidência para buracos negros primordiais ou buracos negros de colapso direto, que foram propostos teoricamente, mas não confirmados.”
Se o buraco negro do QSO1 evoluiu a partir de uma “semente pesada” que se formou dentro do primeiro segundo do big bang ou um pouco mais tarde a partir do colapso de uma gigantesca nuvem de gás, ele quase certamente nasceu grande e pode estar nos estágios iniciais de construção de uma galáxia ao seu redor.
A equipe acredita que Little Red Dots como o QSO1 não poderiam ser raros no universo inicial, e está em processo de analisar objetos semelhantes para descobrir se buracos negros supermassivos realmente antecedem as galáxias onde atualmente residem.
O Telescópio Espacial James Webb é o principal observatório de ciência espacial do mundo. O Webb está solucionando mistérios do nosso sistema solar, olhando além para mundos distantes ao redor de outras estrelas e investigando as estruturas e origens misteriosas do nosso universo e do nosso lugar nele. O Webb é um programa internacional liderado pela NASA, com seus parceiros ESA (European Space Agency) e CSA (Canadian Space Agency).
Para saber mais sobre o Webb, visite:
https://science.nasa.gov/webb
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Imagens e vídeos relacionados
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Little Red Dot Abell2744-QSO1 (imagem do NIRCam)
Uma imagem do NIRCam, no Telescópio Espacial James Webb da NASA, mostra o Little Red Dot Abell2744-QSO1, ampliado e em três imagens pelo aglomerado de galáxias Abell 2744 (Pandora’s Cluster).
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Little Red Dot Abell2744-QSO1a (imagem do NIRCam com mapa de velocidade do NIRSpec IFU)
Um detalhe da imagem do NIRCam (à esquerda) no Telescópio Espacial James Webb da NASA mostra o Little Red Dot Abell2744-QSO1. Um mapa da velocidade do gás no QSO1 (à direita), feito usando a IFU do NIRSpec, mostra evidências de um buraco negro de 50 milhões de massas solares no centro.
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Little Red Dot Abell2744-QSO1 (imagem de orientação do NIRCam)
Imagem de Abell 2744 e do Little Red Dot Abell2744-QSO1, capturada pelo NIRCam do Webb, com setas de bússola, barra de escala e chave de cores para referência.
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Little Red Dot Ab
