JWST detecta buracos negros gigantes em todo o universo primitivo
Buracos
negros gigantes deveriam ser pequenos atores na história cósmica inicial. Mas
observações recentes do Telescópio Espacial James Webb estão encontrando uma
abundância inesperada de feras.
O jovem cosmos é o lar de uma população misteriosamente grande de galáxias tempestuosas com grandes buracos negros em seus núcleos.
Anos
antes de ter certeza de que o Telescópio Espacial James Webb seria lançado com
sucesso, Christina Eilers começou a planejar uma conferência para astrônomos
especializados no início do universo. Ela sabia que se – de preferência, quando
– o James Webb começasse a fazer observações, ela e seus colegas teriam muito o
que conversar. Como uma máquina do tempo, o telescópio podia ver mais longe e
mais longe no passado do que qualquer instrumento anterior.
Felizmente
para Eilers (e para o resto da comunidade astronômica), seu planejamento não
foi em vão: o James Webb foi lançado e implantado sem problemas, depois começou
a examinar o início do universo a sério de seu poleiro no espaço a um milhão de
milhas de distância.
Em
meados de junho, cerca de 150 astrônomos se reuniram no Instituto de Tecnologia
de Massachusetts para a conferência James Webb “First Light” de Eilers. Não se
passou um ano desde que o James Webb começou a enviar imagens de volta à Terra.
E assim como Eilers havia previsto, o telescópio já estava remodelando a
compreensão dos astrônomos sobre o primeiro bilhão de anos do cosmos.
Um
conjunto de objetos enigmáticos se destacou na miríade de apresentações. Alguns
astrônomos os chamavam de “monstrinhos escondidos”. Para outros, eram “pequenos
pontos vermelhos”. Mas seja qual for o nome, os dados eram claros: quando o
James Webb observa galáxias jovens – que aparecem como meras manchas vermelhas
na escuridão – ele vê um número surpreendente com ciclones se agitando em seus
centros.
“Parece
haver uma população abundante de fontes que não conhecíamos”, disse Eilers,
astrônomo do MIT, “que não esperávamos encontrar”.
Nos
últimos meses, uma torrente de observações das manchas cósmicas encantou e
confundiu os astrônomos.
“Todo
mundo está falando sobre esses pequenos pontos vermelhos”, disse Xiaohui Fan,
pesquisador da Universidade do Arizona que passou sua carreira procurando por
objetos distantes no início do universo.
A
explicação mais direta para as galáxias com coração de tornado é que grandes buracos
negros pesando milhões de sóis estão levando as nuvens de gás a um frenesi.
Essa descoberta é esperada e desconcertante. É esperado porque o James Webb foi
construído, em parte, para encontrar os objetos antigos.
Eles são os ancestrais dos buracos negros gigantes de bilhões de sóis que parecem aparecer no registro cósmico inexplicavelmente cedo. Ao estudar esses buracos negros precursores, como três jovens recordes descobertos este ano, os cientistas esperam aprender de onde vieram os primeiros buracos negros gigantescos e talvez identificar qual das duas teorias concorrentes melhor descreve sua formação: eles cresceram extremamente rápido ou eles simplesmente nasceram grandes?
No entanto, as observações também são desconcertantes porque
poucos astrônomos esperavam que o James Webb encontrasse tantos buracos negros
jovens e famintos – e as pesquisas estão revelando-os às dúzias. No processo de
tentar resolver o antigo mistério, os astrônomos descobriram uma multidão de
buracos negros volumosos que podem reescrever as teorias estabelecidas de
estrelas, galáxias e muito mais.
“Como
teórica, tenho que construir um universo”, disse Marta Volonteri, astrofísica
especializada em buracos negros no Instituto de Astrofísica de Paris. Volonteri
e seus colegas agora estão enfrentando o influxo de buracos negros gigantes no
cosmos primitivo. “Se eles são [reais], eles mudam completamente a imagem.”
Uma Máquina do Tempo Cósmica
As
observações do James Webb estão abalando a astronomia em parte porque o
telescópio pode detectar a luz que atinge a Terra de mais fundo no espaço do
que qualquer máquina anterior.
Construímos este telescópio absurdamente poderoso ao longo de
20 anos.
Grant
Tremblay, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
“Construímos
este telescópio absurdamente poderoso ao longo de 20 anos”, disse Grant
Tremblay, astrofísico do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. “O
objetivo original era olhar profundamente no tempo cósmico.”
Um
dos objetivos da missão é capturar as galáxias em formação durante o primeiro
bilhão de anos do universo (de sua história de aproximadamente 13,8 bilhões de
anos). As observações iniciais do telescópio no verão passado sugeriram um
universo jovem cheio de galáxias surpreendentemente maduras, mas as informações
que os astrônomos puderam extrair dessas imagens eram limitadas.
Para
realmente entender o início do universo, os astrônomos precisavam de mais do
que apenas as imagens; eles ansiavam pelos espectros dessas galáxias – os dados
que chegam quando o telescópio divide a luz recebida em matizes específicos.
Os
espectros galácticos, que o James Webb começou a enviar de volta no final do
ano passado, são úteis por dois motivos.
Primeiro,
eles permitiram que os astrônomos determinassem a idade da galáxia. A luz
infravermelha que o James Webb coleta é avermelhada ou desviada para o
vermelho, o que significa que, à medida que atravessa o cosmos, seus
comprimentos de onda são esticados pela expansão do espaço. A extensão desse
desvio para o vermelho permite que os astrônomos determinem a distância de uma
galáxia e, portanto, quando ela originalmente emitiu sua luz. Galáxias próximas
têm um redshift de quase zero.
O
James Webb pode facilmente distinguir objetos além de um desvio para o vermelho
de 5, o que corresponde a aproximadamente 1 bilhão de anos após o Big Bang.
Objetos com desvios para o vermelho mais altos são significativamente mais
velhos e mais distantes.
Em
segundo lugar, os espectros dão aos astrônomos uma noção do que está
acontecendo em uma galáxia. Cada matiz marca uma interação entre fótons e
átomos específicos (ou moléculas). Uma cor se origina de um átomo de hidrogênio
piscando ao se estabilizar após uma colisão; outro indica átomos de oxigênio
empurrados e outro nitrogênio. Um espectro é um padrão de cores que revela do
que uma galáxia é feita e o que esses elementos estão fazendo, e o James Webb
está fornecendo esse contexto crucial para galáxias em distâncias sem
precedentes.
“Demos
um salto tão grande”, disse Aayush Saxena, astrônomo da Universidade de Oxford.
O fato de que “estamos falando sobre a composição química das galáxias redshift
9 é absolutamente notável”.
(O
Redshift 9 é incrivelmente distante, correspondendo a uma época em que o
universo tinha apenas 0,55 bilhão de anos.)
Os
espectros galácticos também são ferramentas perfeitas para encontrar um dos
principais perturbadores dos átomos: buracos negros gigantes que se escondem no
coração das galáxias. Os próprios buracos negros são escuros, mas quando se
alimentam de gás e poeira, eles rasgam os átomos, fazendo-os emitir cores
reveladoras. Muito antes do lançamento do James Webb, os astrofísicos esperavam
que o telescópio os ajudasse a identificar esses padrões e encontrar o suficiente
dos maiores e mais ativos buracos negros do universo inicial para resolver o
mistério de como eles se formaram.
Muito grande, muito cedo
O
mistério começou há mais de 20 anos, quando uma equipe liderada por Fan avistou
uma das galáxias mais distantes já observadas – um quasar brilhante, ou uma
galáxia ancorada em um buraco negro supermassivo ativo pesando talvez bilhões
de sóis. Tinha um desvio para o vermelho de 5, correspondendo a cerca de 1,1
bilhão de anos após o Big Bang. Com mais varreduras do céu, Fan e seus colegas
quebraram repetidamente seus próprios recordes, empurrando a fronteira do
redshift do quasar para 6 em 2001 e eventualmente para 7,6 em 2021 – apenas 0,7
bilhão de anos após o Big Bang.
O
problema era que fazer buracos negros tão gigantescos parecia impossível tão
cedo na história cósmica.
Como
qualquer objeto, os buracos negros levam tempo para crescer e se formar. E como
uma criança de 6 pés de altura, os enormes buracos negros de Fan eram grandes
demais para sua idade – o universo não tinha idade suficiente para eles
acumularem bilhões de sóis de peso. Para explicar essas crianças crescidas
demais, os físicos foram forçados a considerar duas opções desagradáveis.
A
primeira foi que as galáxias de Fan começaram cheias de buracos negros padrão,
aproximadamente de massa estelar, do tipo que as supernovas costumam deixar
para trás. Esses então cresceram tanto por fusão quanto por absorção de gás e
poeira ao redor. Normalmente, se um buraco negro se alimenta de forma agressiva
o suficiente, um derramamento de radiação afasta seus pedaços. Isso interrompe
o frenesi de alimentação e estabelece um limite de velocidade para o
crescimento do buraco negro que os cientistas chamam de limite de Eddington.
Mas
é um teto macio: uma torrente constante de poeira poderia superar o
derramamento de radiação. No entanto, é difícil imaginar sustentar esse
crescimento “super-Eddington” por tempo suficiente para explicar as feras de
Fan – eles teriam que crescer de forma impensável.
Ou
talvez os buracos negros possam nascer de um tamanho improvável. Nuvens de gás
no início do universo podem ter colapsado diretamente em buracos negros pesando
muitos milhares de sóis – produzindo objetos chamados de sementes pesadas. Este
cenário também é difícil de engolir, porque nuvens de gás tão grandes e
irregulares devem se fraturar em estrelas antes de formar um buraco negro.
Uma
das prioridades do James Webb é avaliar esses dois cenários olhando para o
passado e capturando os ancestrais mais fracos das galáxias de Fan. Esses
precursores não seriam quasares, mas galáxias com buracos negros um pouco
menores a caminho de se tornarem quasares. Com o James Webb, os cientistas têm
a melhor chance de detectar buracos negros que mal começaram a crescer –
objetos que são jovens e pequenos o suficiente para que os pesquisadores
determinem seu peso ao nascer.
Essa
é uma das razões pelas quais um grupo de astrônomos do Cosmic Evolution Early
Release Science Survey, ou CEERS, liderado por Dale Kocevski, do Colby College,
começou a trabalhar horas extras quando notou pela primeira vez sinais de tais
jovens buracos negros aparecendo nos dias seguintes ao Natal.
“É
impressionante quantos deles existem”, escreveu Jeyhan Kartaltepe, astrônomo do
Instituto de Tecnologia de Rochester, durante uma discussão no Slack.
“Muitos monstrinhos escondidos”, respondeu Kocevski.
Uma Multidão Crescente de Monstros
Nos
espectros do CEERS, algumas galáxias imediatamente se destacaram como
potencialmente escondendo bebês buracos negros – os monstrinhos. Ao contrário
de seus irmãos mais baunilhados, essas galáxias emitiam luz que não chegava com
apenas um tom nítido para o hidrogênio.
Em
vez disso, a linha de hidrogênio foi manchada, ou ampliada, em uma gama de
tons, indicando que algumas ondas de luz foram esmagadas quando nuvens de gás
em órbita aceleraram em direção ao James Webb (assim como uma ambulância que se
aproxima emite um gemido crescente quando as ondas sonoras de sua sirene são
comprimidas), enquanto outras as ondas foram esticadas enquanto as nuvens
voavam. Kocevski e seus colegas sabiam que os buracos negros eram praticamente
o único objeto capaz de lançar hidrogênio dessa maneira.
“A
única maneira de ver o componente amplo do gás orbitando o buraco negro é se
você estiver olhando diretamente para o barril da galáxia e diretamente para o
buraco negro”, disse Kocevski.
No
final de janeiro, a equipe do CEERS conseguiu produzir uma pré-impressão
descrevendo dois dos “monstrinhos ocultos”, como eles os chamavam. Em seguida,
o grupo começou a estudar sistematicamente uma faixa mais ampla das centenas de
galáxias coletadas por seu programa para ver quantos buracos negros havia lá
fora.
Mas eles foram derrotados por outra equipe, liderada por Yuichi Harikane, da Universidade de Tóquio, apenas algumas semanas depois. O grupo de Harikane pesquisou 185 das galáxias mais distantes do CEERS e encontrou 10 com amplas linhas de hidrogênio – o provável trabalho de buracos negros centrais de um milhão de massas solares em desvios para o vermelho entre 4 e 7.
Então, em
junho, uma análise de duas outras pesquisas lideradas por Jorryt Matthee, do
Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique, identificou mais 20 “pequenos
pontos vermelhos” com amplas linhas de hidrogênio: buracos negros girando em
torno do desvio para o vermelho 5. Uma análise publicada no início de agosto
anunciou mais uma dúzia, algumas das quais podem até estar em processo de
crescendo por fusão.
“Estou
esperando por essas coisas há tanto tempo”, disse Volonteri. “Tem sido
incrível.”
Mas
poucos astrônomos previram o grande número de galáxias com um grande buraco
negro ativo. Os quasares bebês no primeiro ano de observações do James Webb são
mais numerosos do que os cientistas previram com base no censo de quasares
adultos – entre 10 e 100 vezes mais abundantes.
“É
surpreendente para um astrônomo que estejamos errados em uma ordem de magnitude
ou até mais”, disse Eilers, que contribuiu para o artigo sobre pequenos pontos
vermelhos.
“Sempre
parecia que, em alto desvio para o vermelho, esses quasares eram apenas a ponta
do iceberg”, disse Stéphanie Juneau, astrônoma do NOIRLab da National Science
Foundation e coautora do artigo sobre os pequenos monstros. “Podemos descobrir
que, por baixo, essa população [mais fraca] é ainda maior do que apenas o
iceberg normal”.
Estes dois vão para quase 11
Mas,
para vislumbrar as feras em sua infância, os astrônomos sabem que terão que ir
muito além dos desvios para o vermelho de 5 e olhar mais profundamente nos
primeiros bilhões de anos do universo. Recentemente, várias equipes detectaram
buracos negros se alimentando a distâncias verdadeiramente sem precedentes.
Em
março, uma análise do CEERS liderada por Rebecca Larson, astrofísica da
Universidade do Texas, Austin, descobriu uma ampla linha de hidrogênio em uma
galáxia com um desvio para o vermelho de 8,7 (0,57 bilhão de anos após o Big
Bang), estabelecendo um novo recorde para a maioria buraco negro ativo distante
já descoberto.
Mas
o recorde de Larson caiu apenas alguns meses depois, depois que os astrônomos
com a colaboração JADES (James Webb Advanced Deep Extragalactic Survey)
colocaram as mãos no espectro do GN-z11. No redshift 10.6, o GN-z11 estava na
borda mais fraca da visão do Telescópio Espacial Hubble, e os cientistas
estavam ansiosos para estudá-lo com olhos mais aguçados. Em fevereiro, o James
Webb passou mais de 10 horas observando o GN-z11, e os pesquisadores perceberam
imediatamente que a galáxia era estranha.
Sua
abundância de nitrogênio estava “completamente fora de controle”, disse Jan
Scholtz, membro do JADES na Universidade de Cambridge. Ver tanto nitrogênio em
uma galáxia jovem foi como encontrar uma criança de 6 anos com uma sombra de
cinco horas, especialmente quando o nitrogênio foi comparado aos escassos
estoques de oxigênio da galáxia, um átomo mais simples que as estrelas deveriam
se reunir primeiro.
A
colaboração do JADES seguiu com outras 16 ou mais horas de observação do James
Webb no início de maio. Os dados adicionais aguçaram o espectro, revelando que
dois tons visíveis de nitrogênio eram extremamente desiguais – um brilhante e
outro fraco. O padrão, disse a equipe, indicava que o GN-z11 estava cheio de
densas nuvens de gás concentradas por uma força gravitacional assustadora.
“Foi
quando percebemos que estávamos olhando diretamente para o disco de acreção do
buraco negro”, disse Scholtz. Esse alinhamento fortuito explica por que a
galáxia distante era brilhante o suficiente para o Hubble ver em primeiro
lugar.
Buracos
negros extremamente jovens e famintos como o GN-z11 são os objetos exatos que
os astrofísicos esperavam que resolvessem o dilema de como os quasares de Fan
surgiram. Mas, em uma reviravolta, nem mesmo o superlativo GN-z11 é jovem ou
pequeno o suficiente para que os pesquisadores determinem conclusivamente sua
massa de nascimento.
“Precisamos
começar a detectar massas de buracos negros com um desvio para o vermelho muito
maior do que 11”, disse Scholtz. “Eu não tinha ideia de que diria isso há um
ano, mas aqui estamos nós.”
Uma pitada de peso
Até
então, os astrônomos estão recorrendo a truques mais sutis para encontrar e
estudar buracos negros recém-nascidos, truques como telefonar para um amigo –
ou outro telescópio espacial emblemático – para obter ajuda.
No
início de 2022, uma equipe liderada por Ákos Bogdán, astrônomo do
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, começou a apontar periodicamente o
Observatório de Raios-X Chandra da NASA para um aglomerado de galáxias que eles
sabiam que estaria na lista curta do James Webb.
O
cluster age como uma lente. Ele dobra o tecido do espaço-tempo e amplia as
galáxias mais distantes atrás dele. A equipe queria ver se alguma dessas
galáxias de fundo estava cuspindo raios-X, um cartão de visita tradicional de
um buraco negro voraz.
Ao
longo de um ano, o Chandra olhou para as lentes cósmicas por duas semanas – uma
de suas campanhas de observação mais longas até agora – e coletou 19 fótons de
raios-X vindos de uma galáxia chamada UHZ1, com um desvio para o vermelho de
10,1. Esses 19 fótons de alta octanagem provavelmente vieram de um crescente
buraco negro que existiu menos de meio bilhão de anos após o Big Bang,
tornando-o de longe a fonte de raios-X mais distante já detectada.
Ao
combinar os dados James Webb e Chandra, o grupo aprendeu algo estranho – e
informativo. Na maioria das galáxias modernas, quase toda a massa está nas
estrelas, com menos de um por cento ou mais no buraco negro central. Mas em
UHZ1, a massa parece dividida uniformemente entre as estrelas e o buraco negro
– o que não é o padrão que os astrônomos esperariam para a acreção
super-Eddington.
Uma
explicação mais plausível, sugeriu a equipe, é que o buraco negro central de
UHZ1 nasceu quando uma nuvem gigante se transformou em um enorme buraco negro,
deixando para trás pouco gás para fazer estrelas. Essas observações “podem ser
consistentes com uma semente pesada”, disse Tremblay, que é membro da equipe. É
“uma loucura pensar nessas bolas gigantes de gás que simplesmente colapsam”.
É um universo de buraco negro
Algumas
das descobertas específicas da corrida louca dos espectros nos últimos meses
estão fadadas a mudar à medida que os estudos passam pela revisão por pares.
Mas a conclusão geral – de que o jovem universo produziu uma série de buracos
negros gigantes e ativos com extrema rapidez – provavelmente sobreviverá.
Afinal, os quasares de Fan tinham que vir de algum lugar.
“Os
números exatos e os detalhes de cada objeto permanecem incertos, mas é muito
convincente que estamos encontrando uma grande população de buracos negros em
acreção”, disse Eilers. “O James Webb os revelou pela primeira vez, e isso é
muito emocionante.”
Para
os especialistas em buracos negros, é uma revelação que vem se formando há
anos. Estudos recentes de galáxias adolescentes confusas no universo moderno
sugeriram que buracos negros ativos em galáxias jovens estavam sendo
negligenciados. E os teóricos têm lutado porque seus modelos digitais
produziram continuamente universos com muito mais buracos negros do que os
astrônomos viam no universo real.
“Eu
sempre disse que minha teoria está errada e a observação está certa, então
preciso consertar minha teoria”, disse Volonteri. No entanto, talvez a
discrepância não apontasse para um problema com a teoria. “Talvez esses
pequenos pontos vermelhos não estivessem sendo contabilizados”, disse ela.
Agora
que os buracos negros ardentes estão se tornando mais do que apenas aparições
cósmicas em um universo em amadurecimento, os astrofísicos se perguntam se
reformular os objetos em papéis teóricos mais carnudos poderia aliviar algumas
outras dores de cabeça.
Depois
de estudar algumas das primeiras imagens do James Webb, alguns astrônomos
rapidamente apontaram que certas galáxias pareciam impossivelmente pesadas,
considerando sua juventude. Mas, pelo menos em alguns casos, um buraco negro
incrivelmente brilhante pode estar levando os pesquisadores a superestimar o
peso das estrelas circundantes.
Outra
teoria que pode precisar de ajustes é a taxa na qual as galáxias produzem
estrelas, que tende a ser muito alta nas simulações de galáxias. Kocevski
especula que muitas galáxias passam por uma fase de monstro oculto que
estabelece uma desaceleração na formação de estrelas; eles começam envoltos em
poeira de criação de estrelas e, em seguida, seu buraco negro se torna poderoso
o suficiente para espalhar o material estelar no cosmos, retardando a formação
de estrelas. “Podemos estar olhando para esse cenário em jogo”, disse ele.
À
medida que os astrônomos levantam o véu do universo primordial, os palpites
acadêmicos superam em número as respostas concretas. Por mais que o James Webb
já esteja mudando a forma como os astrônomos pensam sobre os buracos negros
ativos, os pesquisadores sabem que as vinhetas cósmicas reveladas pelo
telescópio este ano são apenas anedotas em comparação com o que está por vir.
Campanhas
de observação como JADES e CEERS encontraram dezenas de prováveis buracos
negros olhando para eles de lascas do céu com aproximadamente um décimo do
tamanho da lua cheia. Muitos outros buracos negros bebês aguardam a atenção do
telescópio e de seus astrônomos.
“Todo
esse progresso foi feito nos primeiros nove a 12 meses”, disse Saxena. “Agora
temos [James Webb] pelos próximos nove ou 10 anos.”
Fonte: Quantamagazine.org
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