Um buraco negro ”solitário” descoberto muda o que sabemos sobre o universo

O Telescópio Espacial James Webb encontrou um buraco negro gigante e solitário no universo jovem, com uma massa equivalente a 50 milhões de sóis

Um buraco negro gigante – visto três vezes nesta imagem do James Webb – aparece misteriosamente no universo primordial sem uma galáxia ao seu redor. Quanta Magazine; fonte: James Webb/NASA/ESA/CSA e Lukas Furtak 

Essa descoberta surpreendente desafia o que os cientistas pensavam sobre como o universo começou.

Um buraco negro diferente de tudo que já vimos foi identificado no início do universo. Ele é enorme e está quase sozinho, com poucas estrelas ao seu redor. Chamado de QSO1, esse objeto pode ser parte de uma nova categoria de buracos negros gigantes chamados de “nus”, porque não estão cercados por uma galáxia cheia de estrelas, como era esperado. Essa descoberta muda completamente as ideias tradicionais sobre como o universo jovem se formou.

“É algo fora do comum”, disse Roberto Maiolino, astrofísico da Universidade de Cambridge, que ajudou estudando o objeto. “É muito empolgante e nos ensina muito.”

Os astrônomos encontraram esse buraco negro usando o Telescópio James Webb, um equipamento poderoso construído pela NASA para estudar como as galáxias surgiram no primeiro bilhão de anos do universo. Até agora, os cientistas acreditavam que os buracos negros apareciam apenas depois que estrelas de uma galáxia colapsavam e se fundiam, formando buracos negros maiores. Mas o QSO1 é um gigante solitário, sem uma galáxia ao seu redor, o que contraria essa ideia.

Agora, a grande questão é: como esse buraco negro surgiu?

Uma possibilidade, sugerida pelo físico Stephen Hawking em 1971, é que buracos negros como esse nasceram logo após o Big Bang, o evento que criou o universo. Nesse caso, o QSO1 teria existido desde os primeiros momentos do universo, esperando que estrelas e galáxias aparecessem ao seu redor.

O QSO1 é um dos muitos objetos chamados de “pontinhos vermelhos” que o Telescópio James Webb encontrou ao observar o universo distante. Esses pontinhos ainda confundem os cientistas, que não sabem ao certo se todos são buracos negros. As imagens do telescópio sugerem que o universo jovem era caótico, com buracos negros e galáxias se formando juntos ou até de forma independente. Talvez os buracos negros tenham sido algumas das primeiras estruturas grandes a existir, como bolhas escuras em um universo ainda em formação.

Mais de 300 “pequenos pontos vermelhos? foram vistos até agora – objetos misteriosos no universo primitivo que se parecem com grandes buracos negros brilhantes em alguns aspectos e galáxias incomuns em outros.

Os Pontinhos Vermelhos

Lukas Furtak, astrônomo da Universidade Ben-Gurion, em Israel, percebeu que o QSO1 era especial assim que o viu em uma imagem do Telescópio James Webb em 2023. Ele notou três pequenos pontos vermelhos em meio a galáxias brancas e desfocadas. Esses pontos eram imagens do mesmo buraco negro, criadas por um efeito chamado lente gravitacional, onde a luz de objetos distantes é curvada por galáxias e matéria escura, funcionando como uma lente de vidro. Isso permite ver coisas muito distantes no universo jovem.

Os pontos vermelhos não estavam esticados, como as galáxias ao redor. Furtak concluiu que só um objeto muito pequeno e denso, como um buraco negro, poderia parecer assim. Um buraco negro é uma região do espaço com tanta massa que sua gravidade não deixa nada escapar, nem mesmo a luz.

Nos seis meses seguintes, Furtak e sua equipe usaram o telescópio para estudar os pontos vermelhos por 40 horas, analisando as cores da luz que eles emitiam. Eles confirmaram que o QSO1 é provavelmente um buraco negro brilhante, com massa de dezenas de milhões de sóis, visto como era quando o universo tinha apenas 750 milhões de anos (hoje, o universo tem quase 14 bilhões de anos).

Olhando de Perto

Em dezembro de 2024, Maiolino e outros cientistas estudaram o QSO1 por mais 10 horas. Eles ampliaram a imagem até que o ponto vermelho virou uma mancha pixelada e mediram as cores de cada pixel. Isso mostrou que havia gás quente girando rapidamente ao redor do buraco negro, como um redemoinho. Essa análise confirmou que o QSO1 é, de fato, um buraco negro com uma massa enorme, cerca de 50 milhões de vezes maior que o Sol.

Além disso, não havia sinais de uma galáxia cheia de estrelas ao redor do QSO1. O gás girava em torno de um ponto central, como a Terra gira ao redor do Sol, indicando que a maior parte da massa estava concentrada ali. Os cientistas estimam que pelo menos dois terços da massa do QSO1 vêm do buraco negro, com o resto sendo gás e talvez algumas poucas estrelas. Alguns acreditam que o buraco negro pode representar até 90% da massa total.

Outro detalhe importante: o gás ao redor do buraco negro é quase todo hidrogênio puro, um elemento que existe desde o Big Bang. Estrelas transformam hidrogênio em elementos mais pesados, e quando explodem, espalham esses elementos. Como o QSO1 tem hidrogênio puro, parece que ele se formou antes que muitas estrelas surgissem e morressem ao seu redor.

O Telescópio Espacial James Webb, lançado em 2021, detectou centenas de estranhos buracos negros e galáxias no universo primordial, revelando um caótico primeiro bilhão de anos da história cósmica. NASA/MSFC/David Higginbotham

De Onde Veio o QSO1?

Os cientistas agora tentam entender como o QSO1 e outros buracos negros assim surgiram. Hoje, buracos negros supermassivos, com bilhões de vezes a massa do Sol, estão no centro de muitas galáxias. A ideia antiga era que eles cresciam lentamente, quando estrelas colapsavam e se fundiam, ou quando consumiam gás e poeira. Mas isso leva muito tempo, e é difícil explicar como buracos negros tão grandes existiam já no primeiro bilhão de anos do universo.

O QSO1, sem uma galáxia ao redor, mostra que deve haver outra forma de criar buracos negros gigantes. Uma teoria, apoiada por Maiolino, é a de Hawking: logo após o Big Bang, algumas áreas do universo eram tão densas que colapsaram diretamente em buracos negros. Esses buracos negros primordiais teriam crescido ao absorver matéria ao redor, tornando-se gigantes como o QSO1.

Outras teorias sugerem que o QSO1 pode ter vindo de nuvens de gás que demoraram mais para colapsar, formando buracos negros sem passar pela fase de estrelas. Ou talvez ele tenha surgido em uma galáxia que se formou e desapareceu rapidamente, deixando o buraco negro sozinho.

Nenhuma dessas ideias explica tudo perfeitamente, mas a descoberta do QSO1 descarta a teoria tradicional de formação de buracos negros. Outros buracos negros estranhos já foram encontrados pelo Telescópio James Webb, como um na galáxia UHZ1, que também parece ser mais buraco negro do que galáxia. Essas descobertas mostram que o universo jovem era muito mais complexo do que imaginávamos.

Para os astrônomos, é como tentar entender a história da humanidade só olhando para adultos e adolescentes, e agora descobrir crianças pequenas, cheias de energia e difíceis de entender. O QSO1 e os outros pontinhos vermelhos estão mostrando que o universo jovem era cheio de surpresas, e os cientistas estão animados para descobrir mais.

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