Webb testemunha um buraco negro supermassivo se banqueteando no Universo primordial.

Pesquisadores que utilizam o Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA confirmaram a existência de um buraco negro supermassivo em crescimento ativo dentro de uma galáxia apenas 570 milhões de anos após o Big Bang. Parte de uma classe de galáxias pequenas e muito distantes que intrigam os astrônomos, a CANUCS-LRD-z8.6 representa uma peça vital desse quebra-cabeça, desafiando as teorias existentes sobre a formação de galáxias e buracos negros no início do Universo. A descoberta conecta os buracos negros primordiais com os quasares luminosos que observamos hoje.

Esta imagem mostra a localização da galáxia CANUCS-LRD-z8.6 no enxame de galáxias MACS J1149.5+2223, tal como observada pelo instrumento NIRCam (Near-Infrared Camera) do Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA. CANUCS-LRD-z8.6 faz parte de uma classe de galáxias pequenas, muito distantes e notavelmente vermelhas chamadas Pequenos Pontos Vermelhos (ou LRDs, sigla inglesa para "Little Red Dots"), que têm sido detetadas em número crescente pelos estudos do Universo primitivo efetuados pelo Webb. Está localizada na constelação de Leão e foi observada pelo Webb apenas 570 milhões de anos após o Big Bang. Crédito: ESA/Webb, NASA e CSA, G. Rihtaršič (Faculdade de Matemática e Física da Universidade de Liubliana), R. Tripodi (Faculdade de Matemática e Física da Universidade de Liubliana)

Ao longo dos seus três primeiros anos, os levantamentos do Universo primordial realizados pelo Webb revelaram um número crescente de objetos pequenos, extremamente distantes e de uma cor vermelha impressionante. Esses chamados Pequenos Pontos Vermelhos (LRDs, na sigla em inglês) continuam sendo um mistério intrigante para os astrônomos, apesar de sua inesperada abundância.

A descoberta do CANUCS-LRD-z8.6, possibilitada pelas capacidades excepcionais do Webb, contribuiu para essa busca por respostas. O Espectrógrafo de Infravermelho Próximo ( NIRSpec ) do Webb permitiu que os pesquisadores observassem a tênue luz dessa galáxia distante e detectassem características espectrais importantes que apontam para a presença de um buraco negro em acreção.

Roberta Tripodi, autora principal do estudo e pesquisadora da Universidade de Ljubljana FMF, na Eslovênia, e do INAF - Observatório Astronômico de Roma, na Itália, explicou: "Esta descoberta é verdadeiramente notável. Observamos uma galáxia com menos de 600 milhões de anos após o Big Bang, e ela não só abriga um buraco negro supermassivo, como o buraco negro está crescendo rapidamente – muito mais rápido do que esperaríamos em uma galáxia desse porte nessa época. Isso desafia nossa compreensão da formação de buracos negros e galáxias no início do Universo e abre novos caminhos de pesquisa sobre como esses objetos surgiram."

A equipe analisou o espectro da galáxia , que mostrou gás altamente ionizado por radiação energética, sugerindo que ela estava girando rapidamente em torno de uma fonte central. Essas características são fundamentais para a identificação de um buraco negro supermassivo em processo de acreção. Os dados espectrais precisos permitiram estimar a massa do buraco negro, revelando que ela é excepcionalmente grande para um estágio tão inicial do Universo, e mostraram que a CANUCS-LRD-z8.6 é compacta e ainda não produziu muitos elementos pesados ​​— uma galáxia em um estágio inicial de sua evolução. Essa combinação a torna um objeto de estudo fascinante.

Além disso, a espectroscopia do Webb permitiu à equipe medir quanta energia é emitida em diferentes comprimentos de onda, a partir dos quais foi possível caracterizar as propriedades físicas da galáxia. Isso permitiu determinar a massa das estrelas da galáxia e compará-la com a massa do buraco negro. "Os dados que recebemos do Webb foram absolutamente cruciais", acrescentou o Dr. Nicholas Martis, colaborador da Universidade de Ljubljana, FMF, que ajudou a analisar o espectro da fonte.

" As características espectrais reveladas pelo Webb forneceram sinais claros de um buraco negro em acreção no centro da galáxia, algo que não poderia ter sido observado com a tecnologia anterior. O que torna isso ainda mais convincente é que o buraco negro da galáxia é supermassivo em comparação com sua massa estelar. Isso sugere que os buracos negros no início do Universo podem ter crescido muito mais rápido do que as galáxias que os abrigam."

Astrônomos já haviam observado que a massa de um buraco negro supermassivo e a de sua galáxia hospedeira estão relacionadas: quanto maior a galáxia, maior também se torna seu buraco negro central. CANUCS-LRD-z8.6 é a galáxia hospedeira mais massiva conhecida em um período tão remoto, e seu buraco negro central é ainda mais massivo do que o esperado, desafiando a relação usual. O resultado sugere que os buracos negros podem ter se formado e começado a crescer em ritmo acelerado no início do Universo, mesmo em galáxias relativamente pequenas.

"Esta descoberta é um passo empolgante para a compreensão da formação dos primeiros buracos negros supermassivos do Universo", explicou o Prof. Maruša Bradač, líder do grupo na Universidade de Ljubljana, FMF . "O crescimento rápido e inesperado do buraco negro nesta galáxia levanta questões sobre os processos que permitiram o surgimento de objetos tão massivos tão cedo. À medida que continuamos a analisar os dados, esperamos encontrar mais galáxias como a CANUCS-LRD-z8.6, que poderão nos fornecer informações ainda mais detalhadas sobre as origens dos buracos negros e das galáxias."

A equipe já está planejando observações adicionais com o Atacama Large Millimeter/submillimetre Array (ALMA) e o Webb para estudar mais a fundo o gás e a poeira frios da galáxia e refinar sua compreensão das propriedades do buraco negro. A pesquisa em andamento sobre essa galáxia de baixa densidade (LRD) está prestes a responder a questões cruciais sobre o Universo primordial, incluindo como os buracos negros e as galáxias coevoluíram no primeiro bilhão de anos da história cósmica.

À medida que os astrônomos continuam a explorar o Universo primordial com o JWST, espera-se que surjam mais surpresas, oferecendo uma imagem cada vez mais detalhada de como os primeiros buracos negros supermassivos cresceram e evoluíram, preparando o terreno para a formação dos quasares luminosos que iluminam o Universo hoje.

Os resultados foram obtidos pela colaboração CANUCS no âmbito do programa de observação Webb nº 1208 (investigador principal: CJ Willott) e foram publicados hoje na Nature Communications.

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