Com o poder sem precedentes de imageamento e espectroscopia do telescópio espacial James Webb da NASA/ESA/CSA, pesquisadores mapearam o movimento e a composição do gás em órbita de um buraco negro no centro de Abell2744-QSO1, uma galáxia minúscula a mais de 13 bilhões de anos-luz de distância. Os resultados sugerem que o buraco negro, com 50 milhões de massas solares, é anterior à sua galáxia hospedeira, possivelmente tendo se formado dentro do primeiro segundo do Big Bang, e que já era imenso desde o início.
O que vem primeiro: a galáxia ou o buraco negro? Cientistas há muito tempo consideram que poderia ser a galáxia: estrelas grandes em uma galáxia existente consomem seu combustível e colapsam 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 com milhões a bilhões de vezes a massa do Sol, milhares dos quais já foram detectados no Universo primordial, poderiam ter crescido tão rapidamente a partir de sementes tão pequenas.
Agora, pesquisadores usando o Webb detectaram evidências claras de que alguns buracos negros supermassivos 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 achado notável”, disse Roberto Maiolino, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, autor de estudos publicados hoje em 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.”
Little Red Dot QSO1
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 1300 anos-luz de extensão e sua luz esteja viajando há mais de 13 bilhões de anos, é mais fácil de estudá-lo do que a maioria dos outros Little Red Dots porque ele é amplificado por lentes gravitacionais pelo aglomerado de galáxias Abell 2744 (Pandora’s Cluster). O QSO1 é tanto ampliado quanto aparece em três imagens diferentes, em três localizações distintas no céu.
Estudos iniciais do QSO1 revelaram evidências convincentes de que ele poderia ser pouco mais do que uma nuvem de gás de hidrogênio e hélio brilhantes orbitando um buraco negro supermassivo estimado em 40 milhões de vezes a massa do Sol. Mas, como ocorre com outros buracos negros primordiais descobertos pelo Webb, havia incerteza sobre se ele realmente era tão massivo.
“Antes disso, todas as medições de massa de buracos negros no Universo primordial foram indiretas, baseadas em suposições sobre como eles são 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.
Mapeando a composição e a 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 sua gravidade no gás em redemoinho ao redor dele, ao mesmo tempo em que mapeavam 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, na Itália, autores principais de um dos estudos, usaram as observações com a IFU para mapear os movimentos do gás de hidrogênio em torno do buraco negro. Quando eles traçaram a velocidade de rotação como função da distância em relação ao centro, descobriram que o gás tem movimento kepleriano: ele orbita um ponto central da mesma forma 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 Ignas. “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 da gravidade, a equipe conseguiu usar as medições da velocidade do gás para calcular diretamente a massa do buraco negro, algo que não era possível antes. Eles descobriram que não apenas o buraco negro é imenso — aproximadamente 50 milhões de massas solares — como ele representa uma fração surpreendente de dois terços da massa total do QSO1. Essa proporção é milhares de vezes maior do que em galáxias próximas, onde buracos negros supermassivos constituem apenas uma pequena fração da massa total da galáxia hospedeira.
Os mapas de composição obtidos pela IFU sustentaram 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 solar, o QSO1 está entre os ambientes galácticos mais primordiais já medidos.
“Este é um resultado fenomenal”, disse Cosimo. “É a primeira medição direta da massa de um buraco negro nos primeiros bilhões 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 primordial 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 menores, de massa estelar. “Parece que encontramos um buraco negro que não tem uma galáxia hospedeira substancial e que antecedeu processos estelares”, disse Ignas. “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 devem ter sido raros no Universo primordial e está em processo de analisar objetos semelhantes para descobrir se buracos negros supermassivos realmente antecedem as galáxias onde atualmente residem.
Mais informações
O Webb é o maior e mais poderoso telescópio já lançado ao espaço. Sob um acordo de colaboração internacional, a ESA forneceu o serviço de lançamento do telescópio, usando o veículo de lançamento Ariane 5. Em parceria com outros, a ESA foi responsável pelo desenvolvimento e pela qualificação das adaptações do Ariane 5 para a missão Webb e pela contratação do serviço de lançamento pela Arianespace. A ESA também forneceu o espectrógrafo de trabalho NIRSpec e 50% do instrumento de infravermelho médio MIRI, que foi projetado e construído por um consórcio de institutos europeus financiados nacionalmente (The MIRI European Consortium) em parceria com o JPL e a University of Arizona.
O Webb é uma parceria internacional entre NASA, ESA e a Canadian Space Agency (CSA).