'Quasares bebês': Telescópio Espacial James Webb detecta pequenos gigantes no passado profundo
O Telescópio Espacial James Webb fez uma das descobertas mais inesperadas no seu primeiro ano de serviço: um elevado número de pequenos pontos vermelhos tênues no Universo distante poderia mudar a forma como entendemos a génese dos buracos negros supermassivos.
Quasar gigante e pequenos pontos vermelhos. Uma imagem NIRCam do Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA (JWST) do quasar luminoso J1148+5251, um buraco negro supermassivo ativo extremamente raro de 10 bilhões de massas solares. A luz do quasar, a fonte laranja em forma de estrela com seis picos de difração claros, foi emitida há 13 bilhões de anos. A existência de tais buracos negros massivos no Universo jovem representa um desafio importante para as teorias de buracos negros e de formação de galáxias. Simultaneamente, a imagem capturou pequenos objetos vermelhos pontiagudos, os chamados pequenos pontos vermelhos. Vários desses objetos aparecem em praticamente todas as imagens profundas do JWST. Tal como o quasar J1148+5251, a luz destes objetos (que nestes casos foi emitida há 12,5 mil milhões de anos) também é alimentada por buracos negros supermassivos. No entanto, estes buracos negros têm uma massa centenas a mil vezes inferior e são fortemente obscurecidos pela poeira (fazendo com que pareçam vermelhos). Os pequenos pontos vermelhos podem representar galáxias que estão numa fase evolutiva anterior à fase luminosa do quasar e, portanto, ajudar os investigadores a compreender a formação e o papel dos buracos negros supermassivos em galáxias distantes. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Matthee (ISTA), R. Mackenzie (ETH Zurique), D. Kashino (Observatório Nacional do Japão), S. Lilly (ETH Zurique)
A investigação, liderada por
Jorryt Matthee, professor assistente de astrofísica no Instituto de Ciência e
Tecnologia da Áustria (ISTA), foi agora publicada no The Astrophysical Journal.
Um monte de pequenos pontos
vermelhos encontrados numa pequena região do nosso céu noturno pode de fato ser
um avanço inesperado para o Telescópio Espacial James Webb (James Webb) durante
o seu primeiro ano de serviço. Esses objetos eram indistinguíveis das galáxias
normais através dos “olhos” do antigo Telescópio Espacial Hubble.
“Sem ter sido desenvolvido para
este propósito específico, o James Webb ajudou-nos a determinar que pequenos
pontos vermelhos tênues – encontrados muito longe, no passado distante do
Universo – são pequenas versões de buracos negros extremamente massivos. Estes
objetos especiais podem mudar a forma como vivemos. pense na génese dos buracos
negros,” diz Matthee, professor assistente no Instituto de Ciência e Tecnologia
da Áustria (ISTA), e autor principal do estudo.
“As presentes descobertas podem
aproximar-nos um passo da resposta a um dos maiores dilemas da astronomia: de
acordo com os modelos atuais, alguns buracos negros supermassivos no Universo
primitivo simplesmente cresceram ‘demasiado rápido’. Então como eles se
formaram?”
Os pontos cósmicos sem
retorno
Os cientistas há muito
consideravam os buracos negros uma curiosidade matemática, até que a sua
existência se tornou cada vez mais evidente. Esses estranhos poços cósmicos sem
fundo poderiam ter massas tão compactas e gravidades tão fortes que nada poderia
escapar de sua força de atração; eles sugam qualquer coisa, incluindo poeira
cósmica, planetas e estrelas, e deformam o espaço e o tempo ao seu redor de tal
forma que nem mesmo a luz consegue escapar.
A teoria geral da relatividade,
publicada por Albert Einstein há mais de um século, previu que os buracos
negros poderiam ter qualquer massa. Alguns dos buracos negros mais intrigantes
são os buracos negros supermassivos (SMBHs), que podem atingir milhões a
bilhões de vezes a massa do Sol. Os astrofísicos concordam que existe um SMBH
no centro de quase todas as grandes galáxias. A prova de que Sagitário A* é um
SMBH no centro da nossa galáxia com mais de quatro milhões de vezes a massa do
Sol rendeu o Prêmio Nobel de Física de 2020.
Grande demais para estar
lá
No entanto, nem todas as pequenas
e médias empresas são iguais. Embora Sagitário A* possa ser comparado a um
vulcão adormecido, alguns SMBHs crescem extremamente rapidamente, engolindo
quantidades astronômicas de matéria. Assim, eles se tornam tão luminosos que
podem ser observados até os limites do universo em constante expansão. Esses
SMBHs são chamados de quasares e estão entre os objetos mais brilhantes do
universo.
“Um problema com os quasares é
que alguns deles parecem ser demasiado massivos, demasiado massivos dada a
idade do Universo em que os quasares são observados. Nós chamamos-lhes
‘quasares problemáticos'”, diz Matthee.
“Se considerarmos que os quasares
se originam de explosões de estrelas massivas – e que conhecemos a sua taxa
máxima de crescimento a partir das leis gerais da física, alguns deles parecem
ter crescido mais rápido do que é possível. -criança velha, com dois metros de
altura. Alguma coisa não bate”, explica.
Será que as pequenas e médias
empresas poderiam crescer ainda mais rápido do que pensávamos inicialmente? Ou
eles se formam de maneira diferente?
Pequenas versões de
monstros cósmicos gigantes
Agora, Matthee e seus colegas
identificam uma população de objetos que aparecem como pequenos pontos
vermelhos nas imagens do James Webb. Além disso, eles demonstram que esses
objetos são SMBHs, mas não excessivamente massivos.
Central na determinação de que
esses objetos são SMBHs foi a detecção de linhas de emissão espectral Hα com
perfis de linhas largas. As linhas Hα são linhas espectrais na região vermelha
profunda da luz visível que são emitidas quando os átomos de hidrogênio são
aquecidos. A largura do espectro traça o movimento do gás.
“Quanto mais larga for a base das
linhas Hα, maior será a velocidade do gás. Assim, estes espectros dizem-nos que
estamos a olhar para uma nuvem de gás muito pequena que se move extremamente
rapidamente e orbita algo muito massivo como um SMBH,” diz Matthee.
No entanto, os pequenos pontos
vermelhos não são os monstros cósmicos gigantes encontrados em SMBHs
excessivamente massivos.
“Enquanto os ‘quasares
problemáticos’ são azuis, extremamente brilhantes e atingem milhares de milhões
de vezes a massa do Sol, os pequenos pontos vermelhos são mais como ‘quasares
bebés’. As suas massas situam-se entre dez e cem milhões de massas solares.
Além disso, parecem vermelhos porque estão empoeirados. A poeira obscurece os
buracos negros e avermelha as cores,” diz Matthee.
Mas, eventualmente, o fluxo de
gás dos buracos negros perfurará o casulo de poeira e gigantes evoluirão a
partir destes pequenos pontos vermelhos. Assim, o astrofísico da ISTA e a sua
equipe sugerem que os pequenos pontos vermelhos são versões pequenas e
vermelhas de SMBHs azuis gigantes na fase que antecede os quasares
problemáticos.
“Estudar versões bebês de SMBHs
excessivamente massivos com mais detalhes nos permitirá entender melhor como os
quasares problemáticos surgiram”, explica Matthee.
Uma tecnologia ‘inovadora’
Matthee e sua equipe conseguiram
encontrar os quasares bebês graças aos conjuntos de dados adquiridos pelas
colaborações EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch
of Reionization) e FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete
Observations). Estes são um programa James Webb grande e médio no qual Matthee
esteve envolvido. Em dezembro passado, a revista Physics World listou o EIGER
entre os 10 principais avanços do ano para 2023.
“O EIGER foi projetado para
estudar especificamente os raros quasares supermassivos azuis e seus ambientes.
Não foi projetado para encontrar os pequenos pontos vermelhos. Mas os
encontramos por acaso no mesmo conjunto de dados.
Isso ocorre porque, usando a câmera
infravermelha próxima do James Webb, o EIGER adquire espectros de emissão de
todos os objetos do universo”, diz Matthee. “Se você levantar o dedo indicador
e estender completamente o braço, a região do céu noturno que exploramos
corresponde a aproximadamente um vigésimo da superfície da sua unha. Até agora,
provavelmente apenas arranhamos a superfície.”
Matthee está confiante de que o
presente estudo abrirá muitos caminhos e ajudará a responder algumas das
grandes questões sobre o universo.
“Os buracos negros e os SMBHs são
possivelmente as coisas mais interessantes do universo. É difícil explicar
porque estão lá, mas estão lá. Esperamos que este trabalho nos ajude a levantar
um dos maiores véus de mistério sobre o universo,” ele conclui.
Fonte: Phys.org
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