Astrónomos descobrem 83 buracos negros supermassivos no universo inicial

Luz de um dos mais distantes quasares conhecidos, alimentado por um buraco negro supermassivo situado a 13,05 mil milhões de anos-luz da Terra. A imagem foi obtida com o instrumento HSC (Hyper Suprime-Cam) acoplado ao Telescópio Subaru. Os outros objetos no campo são na maioria estrelas da nossa Via Láctea ou galáxias no campo de visão.Crédito: NAOJ

Astrónomos do Japão, de Taiwan e dos EUA (Universidade de Princeton) descobriram 83 quasares alimentados por buracos negros supermassivos no universo distante, numa época em que o Universo tinha menos de 10% da sua idade atual.

"É notável que tais objetos massivos e densos pudessem formar-se logo após o Big Bang," disse Michael Strauss, professor de ciências astrofísicas da Universidade de Princeton e um dos coautores do estudo. "A compreensão de como os buracos negros se podem formar no início do Universo, e de quão comuns são, é um desafio para os nossos modelos cosmológicos."

Este achado aumenta consideravelmente o número de buracos negros conhecidos naquela época e revela, pela primeira vez, quão comuns são no início da história do Universo. Além disso, fornece novas informações sobre o efeito dos buracos negros no estado físico do gás no Universo primordial, durante os seus primeiros milhares de milhões de anos. A investigação foi divulgada numa série de cinco artigos publicados nas revistas The Astrophysical Journal e Publications of the Astronomical Observatory of Japan.

Os buracos negros supermassivos, encontrados nos centros das galáxias, podem ser milhões ou até milhares de milhões de vezes mais massivos que o Sol. Embora sejam prevalentes ainda hoje, não se sabe quando se formaram pela primeira vez, e quantos existiam no Universo primitivo e distante. 

Um buraco negro supermassivo torna-se visível quando acumula gás em seu redor, fazendo com que brilhe como um "quasar". Os estudos anteriores foram apenas sensíveis aos raríssimos quasares mais luminosos e, portanto, aos buracos negros mais massivos. As novas descobertas sondam a população de quasares mais fracos, alimentados por buracos negros com massas comparáveis à maioria dos buracos negros vistos no Universo atual.

 Concepção artística de um quasar em torno de um buraco negro supermassivo, que tem uma massa muitas vezes maior do que o sol da Terra. Embora nada que caia no buraco negro possa escapar, sua gravidade massiva acelera um "disco de acreção" de partículas luminosas e gases ao seu redor.(Imagem: © Yoshiki Matsuoka)

A equipe usou dados obtidos com um instrumento topo-de-gama, o HSC (Hyper Suprime-Cam), acoplado no Telescópio Subaru do NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan), localizado no cume do Mauna Kea, Hawaii. O HSC tem um campo de visão fantástico - com 1,77 graus, ou sete vezes a área da Lua Cheia - montado num dos maiores telescópios do mundo. A equipa do HSC está a examinar o céu ao longo de 300 noites de tempo de telescópio, espalhadas durante cinco anos.

A equipa selecionou candidatos a distantes quasares dos dados sensíveis da pesquisa do HSC. Realizaram então uma intensa campanha observacional para obter espectros desses candidatos, usando três telescópios: o Telescópio Subaru, o GTC (Gran Telescopio Canarias) em La Palma, Canárias, Espanha; e o Telescópio Gemini Sul no Chile. O levantamento revelou 83 quasares muito distantes e anteriormente desconhecidos. 

Juntamento com 17 quasares já conhecidos na região de estudo, os cientistas descobriram que existe aproximadamente um buraco negro supermassivo por giga-ano-luz cúbico - por outras palavras, se fragmentássemos o Universo em cubos imaginários com mil milhões de anos de lado, cada um teria um buraco negro supermassivo.

A amostra de quasares neste estudo está a cerca de 13 mil milhões de anos-luz da Terra; isto é, estamos vendo os astros como eram há 13 mil milhões de anos. Dado que o Big Bang ocorreu há 13,8 mil milhões de anos, estamos efetivamente a olhar para trás no tempo, vendo estes quasares e buracos negros supermassivos como apareciam apenas mais ou menos 800 milhões de anos após a formação do Universo (conhecido).

É amplamente aceite que o hidrogénio no Universo já foi neutro, mas que foi "reionizado" - dividido nos seus componentes, protões e eletrões - na época em que a primeira geração de estrelas, galáxias e buracos negros supermassivos nasceram, nas primeiras centenas de milhões de anos depois do Big Bang. 

Os 100 quasares identificados nos dados do HSC. A primeiras sete linhas mostram os 83 quasares recém-descobertos enquanto as restantes representam os 17 quasares já conhecidos anteriormente da área de estudo. Têm um aspeto muito vermelho devido à expansão cósmica e à absorção da luz no espaço intergaláctico. Todas as imagens foram obtidas com o instrumento HSC.Crédito: NAOJ

Este é um marco da história cósmica, mas os astrónomos ainda não sabem o que forneceu a incrível quantidade de energia necessária para provocar a reionização. Uma hipótese convincente sugere que havia muitos mais quasares no Universo primitivo do que o detetado anteriormente, e que foi a sua radiação integrada que reionizou o Universo.

"No entanto, o número de quasares que observámos mostra que este não é o caso," explicou Robert Lupton, cientista de ciências astrofísicas. "O número de quasares vistos é significativamente menor do que o necessário para explicar a reionização." A reionização foi, portanto, provocada por outra fonte de energia, provavelmente várias galáxias que começaram a formar-se no Universo jovem.

O presente estudo foi possível graças à capacidade de investigação do Subaru e do HSC. "Os quasares que descobrimos serão um alvo interessante para mais observações de acompanhamento com instalações atuais e futuras," disse Yoshiki Matsuoka, ex-investigador de pós-doutorado de Princeton, agora na Universidade de Ehime, Japão, líder do estudo. 

"Também vamos aprender mais sobre a formação e evolução inicial dos buracos negros supermassivos, comparando a densidade e a distribuição de luminosidade dos números medidos com previsões de modelos teóricos. Com base nos resultados obtidos até agora, a equipe está ansiosa por encontrar buracos negros ainda mais distantes e por descobrir quando surgiu, no Universo, o primeiro buraco negro supermassivo.

Fonte: Astronomia OnLine