Ao investigar a origem do universo em busca das origens de galáxias antigas, o Telescópio Espacial James Webb descobriu algo inesperado escondido nos seus núcleos – uma descoberta que poderá remodelar a nossa visão do cosmos primitivo.
Os cientistas há muito que pensam que as galáxias evoluíram primeiro, enquanto os buracos negros no seu centro se formaram após o colapso de grandes estrelas. Observações recentes de Webb, porém, contam uma história diferente. O telescópio capturou evidências de buracos negros supermassivos evoluindo primeiro, sem uma galáxia hospedeira para alimentá-los.
As observações de Webb podem finalmente fornecer uma resposta a uma questão celeste da galinha ou do ovo, sugerindo que os antigos buracos negros não precisavam de consumir grandes quantidades de gás e poeira circundantes para crescerem até aos seus enormes tamanhos.
“Esta é uma descoberta notável”, disse Roberto Maiolino, pesquisador da Universidade de Cambridge e coautor de dois estudos publicados na revista. Natureza e o Avisos mensais da Royal Astronomical Societydisse em um Declaração da NASA. “É uma mudança de paradigma, uma revisitação total dos cenários clássicos de como os buracos negros se formam e crescem.”
Uma retrospectiva no tempo
Uma das primeiras minúsculas manchas brilhantes de luz infravermelha que Webb encontrou, chamada Abell2744-QSO1 (QSO1), remonta a apenas 700 milhões de anos após o Big Bang (5% da sua idade atual). O protótipo do Little Red Dot é objeto de lente gravitacional pelo aglomerado de galáxias Abell 2744. Isso o torna um alvo ideal, pois parece ampliado e com imagem tripla.
As observações iniciais do QSO1 mostraram que pode ser um buraco negro supermassivo com cerca de 40 milhões de vezes a massa do Sol, rodeado por uma nuvem brilhante de hidrogênio e gás hélio. No entanto, os cientistas não tinham certeza se o buraco negro era realmente tão massivo.
“Até agora, todas as medições de massa de buracos negros no universo primitivo eram indiretas, baseadas em suposições baseadas no que sabemos sobre eles no universo local. Não sabíamos se essas suposições realmente se aplicavam ao universo distante”, disse Francesco D’Eugenio, pesquisador da Universidade de Cambridge e coautor dos estudos, em um comunicado.
Pesando a fera
Para confirmar a massa do buraco negro, a equipa responsável pelo estudo traçou os efeitos da sua gravidade no gás que gira à sua volta e mapeou a distribuição de vários elementos no gás. Usando o espectrógrafo de infravermelho próximo (NIRSpec) de Webb, os cientistas descobriram que o gás orbita um ponto central da mesma forma que os planetas do nosso sistema solar orbitam o Sol. Este fenômeno é conhecido como movimento Kepleriano.
“Isto é importante porque nos diz que a maior parte da massa do QSO1 está concentrada no buraco negro no centro”, disse Ignas Juodžbalis, estudante de graduação na Universidade de Cambridge e autor principal de um dos estudos, em comunicado. “Se a massa fosse mais distribuída, como seria se houvesse muitas estrelas, o gás não teria esta rotação Kepleriana perfeita.”
Como o movimento Kepleriano é governado pelas leis da gravidade, a equipe utilizou as medições da velocidade do gás circundante para calcular diretamente a massa do buraco negro. “Este é um resultado fenomenal”, disse Maiolino. “É a primeira medição direta da massa de um buraco negro nos primeiros mil milhões de anos após o Big Bang e é consistente com as medições anteriores.”
Os resultados revelaram que o buraco negro não só é supermassivo, com 50 milhões de vezes a massa do Sol, mas também representa cerca de dois terços da massa total do QSO1. Os buracos negros supermassivos geralmente constituem apenas uma pequena fração da massa total das suas galáxias hospedeiras. A descoberta revelou uma proporção entre o buraco negro supermassivo e a sua galáxia que é milhares de vezes maior do que nas galáxias próximas.
As descobertas sugerem que este buraco negro nasceu grande, em vez de se formar a partir de uma estrela em colapso e se alimentar do gás circundante para crescer até atingir o seu tamanho massivo. A composição química do QSO1 também mostrou que ele é composto quase inteiramente de hidrogênio e hélio, com muito poucos elementos mais pesados, como o oxigênio, normalmente encontrados em uma galáxia rica em estrelas e detritos estelares.
“Parece que encontrámos um buraco negro que não tem uma galáxia hospedeira substancial e que é anterior a processos estelares”, disse Juodžbalis. “Isto é muito emocionante porque é evidência de buracos negros primordiais ou buracos negros de colapso direto, que foram teorizados, mas não confirmados.”
