Webb revela buraco negro que se formou antes de sua galáxia

O que vem primeiro, a galáxia ou o buraco negro? Os cientistas há muito que pensavam que poderia ser a galáxia: grandes estrelas dentro de uma galáxia existente consomem o seu combustível e colapsam para formar buracos negros, que podem engolir material circundante e fundir-se ao longo do tempo para formar entidades mais massivas. Mas é difícil descobrir como é que buracos negros com milhões a milhares de milhões 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, investigadores que utilizaram o Webb 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 os alimentar.

“Esta é uma descoberta notável”, disse Roberto Maiolino, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, co-autor de estudos publicados hoje em Natureza e o Avisos mensais da Royal Astronomical Society. “É uma mudança de paradigma, uma revisitação total dos cenários clássicos de como os buracos negros se formam e crescem.”

Pequeno Ponto Vermelho QSO1

A conclusão da equipe é baseada em observações detalhadas de Abell2744-QSO1 (QSO1), um protótipo Pequeno ponto vermelho que existiu apenas 700 milhões de anos após o Big Bang.

Embora o QSO1 tenha apenas 1300 anos-luz de diâmetro e a sua luz viaje há mais de 13 mil milhões 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 ampliado e triplicado, aparecendo em três locais diferentes no céu.

Estudos iniciais do QSO1 revelou evidências convincentes de que pode ser pouco mais do que uma nuvem brilhante de hidrogênio e gás hélio orbitando um buraco negro supermassivo estimado em 40 milhões de vezes a massa do Sol. Mas, tal como aconteceu com outros buracos negros descobertos por Webb, havia incerteza sobre se era realmente tão massivo.

“Até agora, todas as medições de massa de buracos negros no Universo primordial 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 o co-autor Francesco D’Eugenio, também da Universidade de Cambridge.

Mapeamento da composição do gás, velocidade

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) no NIRSpec de Webb (Espectrógrafo infravermelho próximo) para traçar os efeitos de sua gravidade no gás que gira ao seu redor, ao mesmo tempo que mapeia a distribuição de vários elementos no gás.

Os estudantes graduados de Cambridge, Ignas Juodžbalis e Cosimo Marconcini, da Universidade de Florença, em Itália, autores principais de um dos estudos, usaram as observações do IFU para mapear os movimentos do gás hidrogénio em torno do buraco negro. Quando traçaram o gráfico da velocidade de rotação em função da distância ao centro, descobriram que o gás tem movimento Kepleriano: orbita um ponto central da mesma forma que os planetas do nosso Sistema Solar orbitam o Sol.

“Isto 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 fosse mais distribuída, como seria se houvesse muitas estrelas, o gás não teria essa rotação Kepleriana perfeita.

Como o movimento Kepleriano é governado por leis simples da gravidade, a equipe conseguiu usar as medições da velocidade do gás para calcular diretamente a massa do buraco negro, um feito que não tinha sido possível anteriormente. Eles descobriram que o buraco negro não só é imenso – cerca de 50 milhões de massas solares – como também representa surpreendentes dois terços da massa total do QSO1. Esta proporção é milhares de vezes maior do que nas galáxias próximas, onde os buracos negros supermassivos constituem apenas uma pequena fração da massa total da galáxia hospedeira.

Os mapas de composição das IFU apoiaram estes resultados, mostrando que o gás em todo o QSO1 é quase inteiramente hidrogénio e hélio, com muito poucos dos elementos mais pesados ​​como o oxigénio que seriam esperados numa galáxia rica em estrelas e detritos estelares. Com uma metalicidade inferior a 0,5% da do Sol, o QSO1 é um dos ambientes galácticos mais primitivos já medidos.

“Este é um resultado fenomenal”, disse Cosimo. “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.” A equipa pensa que este é um bom sinal de que os pressupostos utilizados para medições indiretas de massa são válidos e que as massas de outros buracos negros no Universo primordial não foram sobrestimadas.

Origens do buraco negro supermassivo

A massa descomunal de QSO1 em relação à sua galáxia hospedeira sugere que ele não pode ter se formado gradualmente a partir de buracos negros de massa estelar muito menores que se fundiram e se alimentaram. “Parece que encontramos um buraco negro que não possui uma galáxia hospedeira substancial e que é anterior a processos estelares”, disse Ignas. “Isto é muito emocionante porque é evidência de buracos negros primordiais ou buracos negros de colapso direto, que foram teorizados, mas não confirmados.”

Quer o buraco negro do QSO1 tenha evoluído a partir de uma “semente pesada” que se formou no primeiro segundo do Big Bang ou um pouco mais tarde a partir do colapso de uma nuvem gigante de gás, é quase certo que nasceu grande e pode estar nas fases iniciais da construção de uma galáxia à sua volta.

A equipa pensa que Pequenos Pontos Vermelhos como o QSO1 não podem ter sido raros no Universo primordial, e está em processo de análise de objetos semelhantes para descobrir se os buracos negros supermassivos são realmente anteriores às galáxias onde residem atualmente.

Mais informações

Webb é o maior e mais poderoso telescópio já lançado ao espaço. Ao abrigo de um acordo de colaboração internacional, a ESA forneceu o serviço de lançamento do telescópio, utilizando o veículo de lançamento Ariane 5. Trabalhando com parceiros, a ESA foi responsável pelo desenvolvimento e qualificação das adaptações do Ariane 5 para a missão Webb e pela aquisição do serviço de lançamento pela Arianespace. A ESA também forneceu o espectrógrafo robusto NIRSpec e 50% do instrumento infravermelho médio MIRIque foi projetado e construído por um consórcio de institutos europeus financiados nacionalmente (The MIRI European Consortium) em parceria com o JPL e a Universidade do Arizona.

Webb é uma parceria internacional entre NASA, ESA e a Agência Espacial Canadense (CSA).

Lançamento em esawebb.org

Artigo científico: Natureza

Artigo científico: Avisos mensais da Royal Astronomical Society

Lançamento no site da NASA

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