Conheça o buraco negro mais antigo já confirmado no universo: um monstro no início dos tempos

Uma equipe internacional de astrônomos, liderada pelo Centro de Fronteiras Cósmicas da Universidade do Texas em Austin, identificou o buraco negro mais distante já confirmado. Ele e a galáxia que o abriga, CAPERS-LRD-z9, estão presentes 500 milhões de anos após o Big Bang. Isso o situa 13,3 bilhões de anos no passado, quando nosso universo tinha apenas 3% de sua idade atual. Assim, ele oferece uma oportunidade única para estudar a estrutura e a evolução desse período enigmático.

Representação artística de CAPERS-LRD-z9, lar do buraco negro mais antigo confirmado. Acredita-se que o buraco negro supermassivo em seu centro esteja cercado por uma espessa nuvem de gás, conferindo à galáxia uma cor vermelha característica. Crédito da imagem: Erik Zumalt, Universidade do Texas em Austin. 

“Ao procurar buracos negros, isso é praticamente o máximo que se pode ir no passado. Estamos realmente expandindo os limites do que a tecnologia atual pode detectar”, disse Anthony Taylor, pesquisador de pós-doutorado no Cosmic Frontier Center e líder da equipe que fez a descoberta. A pesquisa foi publicada em 6 de agosto no Astrophysical Journal Letters .

“Embora os astrônomos tenham encontrado alguns candidatos mais distantes”, acrescentou Steven Finkelstein, coautor do artigo e diretor do Cosmic Frontier Center, “eles ainda precisam encontrar a assinatura espectroscópica distinta associada a um buraco negro”.

Com a espectroscopia, os astrônomos dividem a luz em seus vários comprimentos de onda para estudar as características de um objeto. Para identificar buracos negros, eles buscam evidências de gás em movimento rápido. À medida que ele circula e cai em um buraco negro, a luz do gás que se afasta de nós é esticada para comprimentos de onda muito mais vermelhos, e a luz do gás que se aproxima de nós é comprimida para comprimentos de onda muito mais azuis. "Não há muitas outras coisas que criem essa assinatura", explicou Taylor. "E esta galáxia a tem!"

A equipe utilizou dados do programa CAPERS (CANDELS-Area Prism Epoch of Reionization Survey) do Telescópio Espacial James Webb para sua busca. Lançado em 2021, o JWST fornece as visões de maior alcance do espaço disponíveis; e o CAPERS fornece observações da borda mais externa.

“O primeiro objetivo do CAPERS é confirmar e estudar as galáxias mais distantes”, disse Mark Dickinson, coautor do artigo e líder da equipe do CAPERS. “A espectroscopia do JWST é a chave para confirmar suas distâncias e compreender suas propriedades físicas.”

Inicialmente vista como uma partícula interessante nas imagens do programa, CAPERS-LRD-z9 acabou sendo parte de uma nova classe de galáxias conhecida como “Pequenos Pontos Vermelhos”. Presentes apenas nos primeiros 1,5 bilhão de anos do universo, essas galáxias são muito compactas, vermelhas e inesperadamente brilhantes.

“A descoberta dos Pequenos Pontos Vermelhos foi uma grande surpresa em relação aos dados iniciais do JWST, pois eles não se pareciam em nada com as galáxias observadas pelo Telescópio Espacial Hubble”, explicou Finkelstein. “Agora, estamos no processo de descobrir como eles são e como surgiram.”

CAPERS-LRD-z9 pode ajudar os astrônomos a fazer exatamente isso.

Em primeiro lugar, esta galáxia se soma às crescentes evidências de que buracos negros supermassivos são a fonte do brilho inesperado dos Pequenos Pontos Vermelhos. Normalmente, esse brilho indicaria uma abundância de estrelas em uma galáxia. No entanto, os Pequenos Pontos Vermelhos existem em um momento em que uma massa tão grande de estrelas é improvável.

Por outro lado, os buracos negros também brilham intensamente. Isso ocorre porque eles comprimem e aquecem os materiais que consomem, gerando uma quantidade enorme de luz e energia. Ao confirmar a existência de um buraco negro em CAPERS-LRD-z9, os astrônomos encontraram um exemplo impressionante dessa conexão em Little Red Dots.

A galáxia recém-descoberta também pode ajudar a desvendar a causa da distinta cor vermelha em Little Red Dots. Isso pode ser devido a uma espessa nuvem de gás que circunda o buraco negro, distorcendo sua luz para comprimentos de onda mais avermelhados à medida que passa por ele. "Já vimos essas nuvens em outras galáxias", explicou Taylor. "Quando comparamos este objeto com essas outras fontes, ele era idêntico."

Esta galáxia também se destaca pela colossalidade do seu buraco negro. Estima-se que tenha até 300 milhões de vezes a massa do nosso Sol e que sua massa seja metade da de todas as estrelas da galáxia. Mesmo entre buracos negros supermassivos, essa massa é particularmente grande.

Encontrar um buraco negro tão massivo tão cedo oferece aos astrônomos uma oportunidade valiosa para estudar como esses objetos se desenvolveram. Um buraco negro presente no universo tardio terá tido diversas oportunidades de se desenvolver ao longo de sua existência. Mas um presente nas primeiras centenas de milhões de anos não teria. "Isso se soma às crescentes evidências de que os buracos negros primitivos cresceram muito mais rápido do que pensávamos ser possível", disse Finkelstein. "Ou eles começaram com uma massa muito maior do que nossos modelos preveem."

Para continuar a pesquisa sobre o CAPERS-LRD-z9, a equipe espera coletar mais observações de alta resolução usando o JWST. Isso poderá fornecer mais informações sobre ele e o papel que os buracos negros desempenharam no desenvolvimento dos Pequenos Pontos Vermelhos. "Este é um bom objeto de teste para nós", disse Taylor. "Não tínhamos conseguido estudar a evolução inicial dos buracos negros até recentemente, e estamos animados para ver o que podemos aprender com este objeto único."

Observatório McDonald