Novas descobertas do JWST: como os buracos negros passaram da criação para a extinção de estrelas

Os astrônomos há muito procuram compreender o universo primitivo e, graças ao Telescópio Espacial James Webb (James Webb), surgiu uma peça crítica do puzzle. Os “olhos” de detecção infravermelha do telescópio detectaram uma série de pequenos pontos vermelhos, identificados como algumas das primeiras galáxias formadas no universo.

A transição nas taxas de formação de estrelas e no crescimento dos buracos negros à medida que o desvio para o vermelho diminui de regimes onde o feedback positivo domina para uma época posterior, quando o feedback é largamente negativo. Crédito: Steven Burrows, Rosemary Wyse e Mitch Begelman. 

Esta descoberta surpreendente não é apenas uma maravilha visual, é uma pista que pode desvendar os segredos de como as galáxias e os seus enigmáticos buracos negros começaram a sua viagem cósmica.

“A descoberta surpreendente de James Webb é que o Universo não só tem estes objetos muito compactos e brilhantes no infravermelho, mas também são provavelmente regiões onde já existem enormes buracos negros,” explica Mitch Begelman, bolseiro da JILA e professor de astrofísica da Universidade do Colorado em Boulder. “Isso foi considerado impossível.”

Begelman e uma equipe de outros astrônomos, incluindo Joe Silk, professor de astronomia na Universidade Johns Hopkins, publicaram as suas descobertas no The Astrophysical Journal Letters, sugerindo que são necessárias novas teorias da criação galáctica para explicar a existência destes enormes buracos negros.

“É necessário algo novo para conciliar a teoria da formação de galáxias com os novos dados”, elabora Silk, principal autor do estudo potencialmente inovador.

A história tradicional da formação de galáxias

Os astrônomos já haviam postulado uma evolução um tanto ordenada quando pensavam sobre como as galáxias se formaram. As teorias convencionais sustentavam que as galáxias se formam gradualmente, agrupando-se ao longo de milhares de milhões de anos. Nesta lenta evolução cósmica, pensava-se que as estrelas emergiam primeiro, iluminando a escuridão primordial.

“A ideia era passar desta geração inicial de estrelas para as galáxias que se tornaram dominadas principalmente por estrelas”, acrescenta Begelman. “Então, no final deste processo, você começa construindo esses buracos negros.”

Acreditava-se que buracos negros supermassivos, essas entidades enigmáticas e poderosas, apareciam depois das primeiras estrelas, crescendo silenciosamente no núcleo galáctico. Eles eram vistos como reguladores, ocasionalmente entrando em ação para moderar a formação de novas estrelas, mantendo assim o equilíbrio galáctico.

Desafiando a sabedoria convencional

Graças às observações dos “pequenos pontos vermelhos” pelo James Webb, os investigadores descobriram que as primeiras galáxias do Universo eram mais brilhantes do que o esperado, já que muitas mostravam estrelas coexistindo com buracos negros centrais conhecidos como quasares.

“Os quasares são os objetos mais luminosos do universo”, explica Silk. “Eles são produtos da acumulação de gás em buracos negros massivos nos núcleos de galáxias que geram luminosidades imensas, ofuscando as galáxias hospedeiras. Eles são como monstros no ninho do cuco.”

Vendo a coexistência de estrelas com buracos negros, os investigadores rapidamente perceberam que as teorias convencionais de formação de galáxias tinham de ser falhas. “[Estes novos dados] parecem que [o processo] foi invertido, que estes buracos negros se formaram juntamente com as primeiras estrelas, e depois o resto da galáxia seguiu-se”, diz Begelman. “Estamos dizendo que o crescimento do buraco negro, num primeiro momento, promove as estrelas. E só mais tarde, quando as condições mudam, é que ele muda para um modo de desligar as estrelas.”

A partir deste novo processo proposto, os investigadores descobriram que a relação entre a formação de estrelas e a formação de buracos negros parecia mais próxima do que o esperado, uma vez que cada um amplificava inicialmente o crescimento do outro através de um processo conhecido como feedback positivo.

“A formação de estrelas acelera a formação de buracos negros massivos e vice-versa, numa interação inextricavelmente ligada de violência, nascimento e morte que é o novo farol da formação de galáxias”, diz Silk.

Então, depois de quase bilhões de anos, os gigantes nutridores tornaram-se supressivos, esgotando os reservatórios de gás nas suas galáxias e extinguindo a formação de estrelas. Este “feedback negativo” deveu-se a fluxos de saída que conservam energia – ventos poderosos que expulsaram o gás das galáxias, privando-as do material necessário para criar novas estrelas.

Uma nova linha do tempo galáctica

Armados com a revelação do comportamento estimulante dos buracos negros, os investigadores propuseram uma nova linha temporal para a mudança de feedback positivo para negativo na formação inicial de galáxias. Ao observar os diferentes espectros de luz e assinaturas químicas emitidas por estes “pequenos pontos vermelhos”, os investigadores sugeriram que esta mudança ocorreu há cerca de 13 bilhões de anos, bilhões de anos após o Big Bang, um período que os astrônomos classificam como “z ≈6″. ”

A identificação desta época de transição ajuda os astrônomos a apontar períodos específicos da história do Universo para observação. Pode orientar futuras estratégias de observação usando telescópios como o James Webb e outros para estudar o universo primitivo de forma mais eficaz. Além disso, ao compreender quando esta mudança ocorreu, os astrônomos podem contextualizar melhor as características das galáxias modernas, incluindo tamanho, forma, composição estelar e nível de atividade.

Validando um novo processo 

Para validar esta nova teoria de formação galáctica colaborativa entre as estrelas e os buracos negros, e fornecer mais informações sobre os processos envolvidos, são necessárias simulações computacionais.

“Isso levará algum tempo”, diz Begelman. “As atuais simulações computacionais são bastante primitivas e você precisa de alta resolução para entender tudo. É preciso muito poder computacional e é caro.”

Até então, existem outras medidas que a comunidade astronómica pode tomar para rever e validar esta nova teoria.

“Os próximos passos virão de observações melhoradas”, acrescenta Silk. “Todo o poder do James Webb para estudar os espectros das galáxias mais distantes será liberado nos próximos anos.”

Tanto Begelman quanto Silk estão otimistas quanto ao resto de sua área adotar a ideia proposta.

“Até onde eu sei, somos os primeiros a seguir nessa direção extrema”, acrescenta Begelman. “Eu estava forçando os limites ao longo dos anos com meus colaboradores trabalhando neste problema de formação de buracos negros. Mas o James Webb nos mostra que não pensamos fora da caixa o suficiente.”

Fonte: phys.org