O que vem primeiro, a galáxia ou o buraco negro? Não sabemos, mas os cientistas há muito tempo pensam que poderia ser a galáxia: grandes estrelas dentro de uma galáxia existente consomem seu combustível e colapsam para formar buracos negros, que podem engolir o material ao redor e se fundir ao longo do tempo para formar entidades 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 primitivo, puderam ter crescido tão rapidamente a partir de sementes tão pequenas.
Agora, pesquisadores que usam o Telescópio Espacial James Webb da NASA detectaram evidências claras de que alguns buracos negros supermassivos eram enormes desde o início, formando-se sem uma fase de colapso estelar e sem uma galáxia hospedeira significativamente mais massiva para alimentá-los.
“Esta é uma descoberta notável”, disse Roberto Maiolino, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, coautor de estudos publicados na Nature e nos Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. “É uma mudança de paradigma, uma total revisita dos cenários clássicos de como buracos negros se formam e crescem.”
Pequeno Ponto Vermelho QSO1
A conclusão da equipe baseia-se em observações detalhadas do Abell2744-QSO1 (QSO1), um prototípico do Pequeno Ponto Vermelho que existiu apenas 700 milhões de anos após o Big Bang.
Embora QSO1 tenha apenas 1.300 anos-luz de diâmetro, e sua luz viaje há mais de 13 bilhões de anos, é mais fácil de estudar do que a maioria dos outros Pequenos Pontos Vermelhos porque é lente gravitacional pelo aglomerado de galáxias Abell 2744 (Aglomerado de Pandora). O QSO1 é tanto ampliado quanto triplicamente imaginado, aparecendo em três locais diferentes no céu.
Estudos iniciais do QSO1 revelaram evidências convincentes de que pode ser pouco mais do que uma nuvem de gás hidrogênio e hélio brilhantes circulando um buraco negro supermassivo estimado em 40 milhões de vezes a massa do Sol. Mas, assim como outros buracos negros antigos descobertos por Webb, havia incerteza sobre se realmente era tão massivo.
“Até agora, todas as medições de massa de buracos negros no universo primitivo eram indiretas, baseadas em suposições do que sabemos sobre eles 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.
Mapeamento da composição e velocidade do gás
A equipe reconheceu que, se o buraco negro do QSO1 for tão massivo quanto parece, eles deveriam ser capazes de usar a unidade de campo integral (IFU) do NIRSpec (Espectrógrafo Infravermelho Próximo) de Webb para rastrear os efeitos de sua gravidade sobre o gás que gira ao seu redor, enquanto também mapeiam a distribuição de vários elementos no gás.
O estudante de pós-graduação de Cambridge Ignas Juodžbalis e Cosimo Marconcini, da Universidade de Florença, autores principais de um dos estudos, usaram as observações da IFU para mapear os movimentos do gás hidrogênio ao redor do buraco negro. Quando eles traçaram a velocidade de rotação em função da distância ao centro, descobriram que o gás tem movimento kepleriano: ele orbita um ponto central da mesma forma que 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 mais distribuída, como seria se houvesse muitas estrelas, o gás não teria essa rotação perfeita de Kepleriana.”
Como o movimento kepleriano é regido por leis simples da gravidade, a equipe pôde usar as medições de velocidade do gás para calcular diretamente a massa do buraco negro, um feito que antes não era possível.
Eles descobriram que não só o buraco negro é imenso — cerca de 50 milhões de massas solares — ele representa, no mínimo, impressionantes dois terços da massa total do QSO1. Essa proporção é milhares de vezes maior do que nas galáxias próximas, onde buracos negros supermassivos representam apenas uma fração minúscula da massa total da galáxia hospedeira.
Os mapas de composição da IFU apoiaram esses resultados, mostrando que o gás em toda a QSO1 é quase inteiramente hidrogênio e hélio, com muito poucos elementos mais pesados como o oxigênio, como seria esperado em uma galáxia rica em estrelas e detritos estelares. Com uma metalicidade inferior a 0,5% do Sol, o QSO1 é um dos ambientes galácticos mais intocados já medidos.
“Este é um resultado fenomenal”, disse Maiolino. “É a primeira medição direta de uma massa de buraco negro dentro do primeiro bilhão de anos após o big bang, e é consistente com as medições anteriores.” A equipe acredita que isso é um bom sinal de que as suposições usadas para medições indiretas de massa são válidas e que as massas de outros buracos negros no universo primitivo não foram superestimadas.
Origens em buracos negros supermassivos
A massa desproporcional de QSO1 em relação à galáxia hospedeira sugere que ela não pode ter se formado gradualmente a partir de buracos negros muito menores, de massa estelar, que se fundiram e se alimentaram. “Parece que encontramos um buraco negro que não possui uma galáxia hospedeira substancial e que antecedeu processos estelares”, disse Juodžbalis. “Isso é muito empolgante porque é evidência de buracos negros primordiais ou buracos negros de colapso direto, que foram teorizados, mas não confirmados.”
Se o buraco negro de QSO1 evoluiu a partir de uma “semente pesada” que se formou no primeiro segundo do big bang ou um pouco mais tarde pelo colapso de uma nuvem gigante 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 Pequenos Pontos Vermelhos como QSO1 não podem ter sido raros no universo primitivo, 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 ciências espaciais do mundo. Webb está resolvendo mistérios em nosso sistema solar, olhando além para mundos distantes ao redor de outras estrelas e investigando as estruturas misteriosas e origens do nosso universo e nosso lugar nele. Webb é um programa internacional liderado pela NASA com seus parceiros, ESA (Agência Espacial Europeia) e CSA (Agência Espacial Canadense).
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