Nova classe de galáxias pode indicar crescimento inicial de buraco negro

Cientistas compilam uma grande amostra de uma classe incomum de objetos em um esforço para conectar os pontos ao universo primitivo. 

Uma equipe de astrónomos analisou dados do Telescópio Espacial James Webb provenientes de vários levantamentos para compilar uma das maiores amostras de "pequenos pontos vermelhos" até à data. A partir da sua amostra, descobriram que estes misteriosos objetos vermelhos que parecem pequenos no céu surgem em grande número cerca de 600 milhões de anos após o Big Bang e sofrem um rápido declínio em quantidade cerca de 1,5 mil milhões de anos após o Big Bang. Crédito: NASA, ESA, CSA, STScI, Dale Kocevski (Colby College)

Em dezembro de 2022, menos de seis meses após o início das operações científicas, o Telescópio Espacial James Webb da NASA revelou algo nunca visto antes: vários objetos vermelhos que parecem pequenos no céu, que os cientistas logo chamaram de “pequenos pontos vermelhos” (LRDs). Embora esses pontos sejam bastante abundantes, os pesquisadores estão perplexos com sua natureza, a razão de suas cores únicas e o que eles transmitem sobre o universo primitivo.

Uma equipe de astrônomos compilou recentemente uma das maiores amostras de LRDs até o momento, quase todas as quais existiram durante os primeiros 1,5 bilhões de anos após o big bang . Eles descobriram que uma grande fração dos LRDs em sua amostra mostrou sinais de conter buracos negros supermassivos em crescimento .

“Estamos confusos com essa nova população de objetos que Webb encontrou. Não vemos análogos deles em redshifts mais baixos , e é por isso que não os vimos antes de Webb”, disse Dale Kocevski do Colby College em Waterville, Maine, e autor principal do estudo. “Há uma quantidade substancial de trabalho sendo feito para tentar determinar a natureza desses pequenos pontos vermelhos e se sua luz é dominada por buracos negros em acreção.”

Uma possível espiada no crescimento inicial do buraco negro

Um fator contribuinte significativo para o grande tamanho da amostra de LRDs da equipe foi o uso de dados Webb disponíveis publicamente. Para começar, a equipe procurou por essas fontes vermelhas na pesquisa Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) antes de ampliar seu escopo para outros campos de legado extragaláctico, incluindo a JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) e a pesquisa Next Generation Deep Extragalactic Exploratory Public (NGDEEP) .

A metodologia usada para identificar esses objetos também diferiu de estudos anteriores, resultando no censo abrangendo uma ampla faixa de redshift. A distribuição que eles descobriram é intrigante: LRDs surgem em grandes números por volta de 600 milhões de anos após o big bang e sofrem um rápido declínio em quantidade por volta de 1,5 bilhão de anos após o big bang.

A equipe olhou para o Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey (RUBIES) para dados espectroscópicos em alguns dos LRDs em sua amostra. Eles descobriram que cerca de 70 por cento dos alvos mostraram evidências de gás orbitando rapidamente a 2 milhões de milhas por hora (1.000 quilômetros por segundo) – um sinal de um disco de acreção ao redor de um buraco negro supermassivo. Isso sugere que muitos LRDs são buracos negros de acreção, também conhecidos como núcleos galácticos ativos (AGN) .

“A coisa mais emocionante para mim são as distribuições de redshift. Essas fontes realmente vermelhas, de alto redshift, basicamente param de existir em um certo ponto após o big bang”, disse Steven Finkelstein, coautor do estudo na Universidade do Texas em Austin. “Se elas estão crescendo buracos negros, e achamos que pelo menos 70 por cento delas estão, isso sugere uma era de crescimento de buracos negros obscurecidos no universo primitivo.”

Ao contrário das manchetes, a cosmologia não está quebrada

Quando os LRDs foram descobertos pela primeira vez, alguns sugeriram que a cosmologia estava "quebrada". Se toda a luz vinda desses objetos fosse de estrelas, isso implicava que algumas galáxias tinham crescido tanto, tão rápido, que as teorias não poderiam explicá-las.

A pesquisa da equipe apoia o argumento de que grande parte da luz vinda desses objetos é de buracos negros em acreção e não de estrelas. Menos estrelas significam galáxias menores e mais leves, o que pode ser compreendido pelas teorias existentes.

“É assim que se resolve o problema da quebra do universo”, disse Anthony Taylor, coautor do estudo na Universidade do Texas em Austin.

Mais e mais curioso

Ainda há muito em debate, pois os LRDs parecem evocar ainda mais perguntas. Por exemplo, ainda é uma questão em aberto por que os LRDs não aparecem em redshifts mais baixos. Uma resposta possível é o crescimento de dentro para fora: conforme a formação de estrelas dentro de uma galáxia se expande para fora do núcleo, menos gás está sendo depositado por supernovas perto do buraco negro em acreção, e ele se torna menos obscurecido. Nesse caso, o buraco negro se desprende de seu casulo de gás, se torna mais azul e menos vermelho, e perde seu status de LRD.

Além disso, os LRDs não são brilhantes na luz de raios X, o que contrasta com a maioria dos buracos negros em redshifts mais baixos. No entanto, os astrônomos sabem que em certas densidades de gás, os fótons de raios X podem ficar presos, reduzindo a quantidade de emissão de raios X. Portanto, essa qualidade dos LRDs pode dar suporte à teoria de que esses são buracos negros fortemente obscurecidos.

A equipe está adotando várias abordagens para entender a natureza dos LRDs, incluindo o exame das propriedades do infravermelho médio de sua amostra e a busca ampla por buracos negros em acreção para ver quantos se encaixam nos critérios de LRD. Obter espectroscopia mais profunda e observações de acompanhamento selecionadas também será benéfico para resolver este "caso aberto" sobre LRDs atualmente.

“Sempre há duas ou mais maneiras potenciais de explicar as propriedades confusas dos pequenos pontos vermelhos”, disse Kocevski. “É uma troca contínua entre modelos e observações, encontrando um equilíbrio entre o que se alinha bem entre os dois e o que entra em conflito.”

Esses resultados foram apresentados em uma coletiva de imprensa na 245ª reunião da Sociedade Astronômica Americana em National Harbor, Maryland, e foram aceitos para publicação no The Astrophysical Journal.

NASA