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Buracos negros supermassivos “grandes demais” para o universo primitivo podem não ser tão massivos, afinal
Nos quatro anos em que o Telescópio Espacial James Webb (JWST) tem feito observações do Universo primitivo, tem apresentado um marco científico após o outro. No entanto, o telescópio de 10 mil milhões de dólares também deixou os astrónomos com um enorme problema – literalmente.
O JWST tem detectado rotineiramente buracos negros supermassivos no Universo primitivo que, com centenas de milhões de vezes a massa do Sol, são demasiado grandes para terem crescido até tamanhos tão monstruosos antes de o Universo ter sequer mil milhões de anos de idade. Estes titãs cósmicos também são demasiado massivos em comparação com as massas das suas pequenas galáxias hospedeiras, desafiando o que os astrónomos sabem sobre as relações entre buracos negros supermassivos e suas casas galácticas que normalmente são observadas no universo moderno.
Agora, uma nova pesquisa sugere que este não é um problema tão grande, afinal. A equipa por detrás desta investigação pensa que tudo é uma questão de perspectiva e que estes primeiros buracos negros supermassivos não são tão monstruosos como os cientistas estimaram.
“Estimamos massas de aproximadamente um a dez milhões massas solaresem comparação com as dezenas ou centenas de milhões inferidos anteriormente”, disse o líder da equipe Alessandro Trinca, do Observatório Astronômico de Roma do Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF) ao Space.com. “Esses ainda são objetos enormes, comparáveis ao buraco negro de quatro milhões de massa solar no centro do Via Láctea, ou algumas vezes maiores, mas situam-se na extremidade inferior da população de buracos negros supermassivos, e não entre os exemplos mais extremos.
“É importante ressaltar que essas massas são muito mais consistentes com as pequenas galáxias que as hospedam”.
A resposta para este quebra-cabeça pode estar na falta de raios X
Ao considerar o mistério de Buracos negros “supermassivos” no universo primitivoTrinca e colegas resolveram outro quebra-cabeça associado a esses objetos.
Para atingir tais tamanhos, estes buracos negros devem alimentar-se vorazmente do gás e da poeira circundantes. Esses buracos negros que se alimentam e as despensas cósmicas de gás e poeira que os rodeiam são geralmente emissores de raios X extremamente brilhantes. Mas este não parece ser o caso dos buracos negros supermassivos no universo primitivo vistos pelo JWST. A equipe analisou 14 buracos negros supermassivos silenciosos em raios X, descobrindo que há outra maneira de considerar esta falta de emissão.
“Quase nenhum deles é detectado em raios X, mesmo em observações muito profundas com Observatório de raios X Chandra da NASA”, disse Trinca. “Interpretamos essa falta de raios X como uma pista e não como um problema. Ao incorporá-lo na nossa análise, descobrimos que estes objetos são provavelmente muito menos massivos do que o estimado anteriormente. Isto faz com que as suas massas estimadas estejam mais de acordo com as propriedades das suas galáxias hospedeiras.”
Isto levou Trinca e a equipa a outra conclusão: estes primeiros buracos negros supermassivos podem não ser tão massivos como anteriormente teorizado, mas estão a alimentar-se ainda mais rapidamente do que se pensava.
Se a alimentação de buracos negros supermassivos emite muitos raios X, então pode parecer um tanto contra-intuitivo que buracos negros que se alimentam vorazmente possam ser “silenciosos” em termos de raios X.
Trinca explica que esta aparente contradição está relacionada com o que acontece quando um buraco negro acumula matéria a taxas extremamente elevadas. O disco de gás ao redor do buraco negro torna-se geometricamente espesso, formando uma estrutura semelhante a um donut com um funil estreito ao longo do eixo de rotação. A região interna quente que normalmente produziria raios X fortes fica cercada por esse disco espesso.
“À medida que os raios X escapam, são repetidamente espalhados pelo gás circundante, perdendo energia antes de poderem emergir. Como resultado, o buraco negro parece muito mais ténue nos raios X do que normalmente esperaríamos,” continuou Trinca. “Portanto, a falta de raios X não é inesperada neste cenário; é na verdade uma previsão do modelo.
“Além disso, esta alimentação muito elevada pode ajudar a explicar como é que estes buracos negros já podiam ter crescido até milhões de vezes a massa do Sol quando o Universo tinha apenas algumas centenas de milhões de anos.”
Eddington comendo fora
Uma das razões pelas quais os buracos negros supermassivos são tão preocupantes no universo primitivo é o facto de crescerem através do consumo de matéria e da fusão com outros buracos negros. No entanto, existe um limite para a rapidez com que um buraco negro, ou qualquer corpo astronômico, pode reunir ou “acretar” matéria.
Chamado de “Limite de Eddington,“isto existe porque quanto mais matéria um corpo acumula, mais radiação ele emite. Assim, à medida que o disco em torno de um buraco negro em alimentação reúne massa suficiente para alimentar um buraco negro em rápido crescimento, ele deve emitir tanta radiação que empurra para longe mais matéria, impedindo-a de ser reabastecida.
Eventualmente, isto corta o fornecimento de alimentos ao buraco negro e restringe o seu crescimento. No entanto, esta investigação sugere que os buracos negros supermassivos podem entrar em breves fases de alimentação “super-Eddington”.
“Se estes buracos negros são até trinta vezes menos massivos do que anteriormente estimado, há muito menos massa para acumular dentro do tempo disponível, e a sua história de crescimento torna-se muito menos extrema,” disse Trinca. “Em vez de exigir um crescimento contínuo e ininterrupto ao longo de centenas de milhões de anos, o quadro torna-se um de episódios mais curtos de acreção muito rápida, que é exactamente o tipo de comportamento que poderíamos esperar nas galáxias ricas em gás e dinamicamente activas do Universo primitivo.”
A confirmação da teoria da equipa sobre episódios de alimentação extrema de buracos negros supermassivos exigirá provas astronómicas, que podem ser difíceis de obter, pelo menos por enquanto.
“O teste mais direto seria estudar objetos semelhantes que estão se acumulando muito rapidamente, mas estão localizados em redshifts mais baixos, onde podemos observar e caracterizar seus ambientes com muito mais detalhes. No entanto, tais objetos são bastante raros”, disse Trinca. “Para a população mais distante observada com o JWST, futuras missões que forneçam observações mais profundas de raios X e espectros melhorados serão de importância crucial e poderão potencialmente detectar a fraca emissão de raios X prevista por este cenário.”
O investigador do INAF acrescentou que, a longo prazo, a obtenção de medições diretas e independentes das massas dos buracos negros em épocas cósmicas progressivamente anteriores proporcionará o teste mais forte da teoria da equipa. Por enquanto, a pesquisa é um exemplo notável do que os cientistas podem fazer quando não detectar algo, em vez de quando fazem uma detecção positiva.
“O interessante foi ver quanta informação poderia ser extraída de algo que não observávamos”, concluiu Trinca. “A não detecção pode parecer o tipo de observação menos informativo, mas neste caso a ausência de raios X proporcionou uma forte restrição e ajudou a definir a imagem física mais claramente do que apenas as detecções.”
A pesquisa da equipe foi publicada na edição de junho da revista Astronomia e Astrofísica.
