O telescópio James Webb estava quebrado? O verdadeiro culpado era um buraco negro monstruoso.

Observações de um quasar distante revelam que buracos negros supermassivos podem suprimir a formação de estrelas em distâncias intergalácticas.

Conceito artístico de uma galáxia com um quasar brilhante – um buraco negro supermassivo ativo com milhões a bilhões de vezes a massa do Sol – em seu centro. Entre os objetos mais brilhantes do universo, os quasares se alimentam de matéria em queda e liberam torrentes de ventos e radiação, moldando as galáxias em que residem. Crédito: NASA, ESA, Joseph Olmsted (STScI) 

A poderosa radiação de buracos negros supermassivos ativos – que se acredita estarem no centro de quase todas as galáxias – pode fazer mais do que perturbar o ambiente ao seu redor. De acordo com uma nova pesquisa liderada por Yongda Zhu, pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Astronomia da Universidade do Arizona e no Observatório Steward , essa energia também pode suprimir a formação de estrelas em galáxias localizadas a milhões de anos-luz de distância.

“Tradicionalmente, acreditava-se que, como as galáxias estão muito distantes umas das outras, elas evoluíam em grande parte sozinhas”, disse Zhu, o primeiro autor do artigo publicado no The Astrophysical Journal Letters . “Mas descobrimos que um buraco negro supermassivo muito ativo em uma galáxia pode afetar outras galáxias a milhões de anos-luz de distância, sugerindo que a evolução das galáxias pode ser mais um esforço coletivo.”

Zhu descreve esse conceito como um “ecossistema galáctico”, comparando-o aos ecossistemas interconectados da Terra. “Um buraco negro supermassivo ativo é como um predador faminto que domina o ecossistema”, disse ele. “Simplificando, ele engole matéria e influencia o crescimento das estrelas em galáxias próximas.”

Os buracos negros intrigam cientistas e o público desde que foram propostos pela primeira vez no início do século XX. Esses objetos estão entre as características mais extremas do universo. Sua gravidade é tão intensa que podem aprisionar matéria próxima e até mesmo luz. Alguns buracos negros, incluindo o que está no centro da Via Láctea , se enquadram na categoria de "supermassivos", o que significa que contêm milhões ou até bilhões de vezes a massa do nosso Sol.

Embora os buracos negros em si não possam ser vistos, eles podem se tornar extraordinariamente brilhantes quando se alimentam ativamente de gás e poeira ao seu redor. À medida que esse material espirala para dentro, forma um disco quente e giratório que libera vastas quantidades de energia. Durante essa fase, conhecida como fase de quasar, o buraco negro pode irradiar centenas de trilhões de vezes mais energia do que o Sol, às vezes brilhando mais intensamente do que toda a sua galáxia hospedeira.

Resolvendo um mistério

Os primeiros dados do Telescópio Espacial James Webb sugeriram que, surpreendentemente, poucas galáxias circundavam quasares extremamente massivos no universo jovem. Essa descoberta chamou a atenção porque galáxias grandes são tipicamente encontradas em regiões densamente povoadas, e não isoladas.

“Ficamos intrigados”, disse Zhu. “Será que o caro JWST estava quebrado?”, acrescentou, rindo. “Então percebemos que as galáxias poderiam realmente estar lá, mas difíceis de detectar porque sua formação estelar recente havia sido suprimida.”

Essa constatação suscitou uma nova questão. Será que buracos negros supermassivos extremamente brilhantes poderiam não apenas alterar suas próprias galáxias, mas também interferir na formação de estrelas em sistemas vizinhos?

Para explorar essa possibilidade, os pesquisadores se concentraram em um dos quasares mais brilhantes já descobertos, o J0100+2802. Ele é alimentado por um buraco negro supermassivo com cerca de 12 bilhões de vezes a massa do Sol. Como sua luz levou mais de 13 bilhões de anos para chegar à Terra, os astrônomos o observam como ele era quando o universo tinha menos de 1 bilhão de anos.

Usando o JWST, a equipe analisou as emissões de O III, uma forma ionizada de oxigênio que sinaliza a formação estelar recente. Níveis mais baixos de O III indicam que as nuvens de gás frio necessárias para a formação de novas estrelas foram perturbadas. Os cientistas encontraram uma diferença notável entre as galáxias localizadas a cerca de um milhão de anos-luz do quasar. Comparadas com galáxias mais distantes, aquelas mais próximas do quasar apresentaram emissão de O III mais fraca em relação à sua luz ultravioleta, um padrão consistente com a redução da formação estelar recente.

“Sabe-se que os buracos negros 'devoram' muita matéria, mas durante o processo ativo de absorção e em sua forma luminosa de quasar, eles também emitem radiação muito forte”, disse Zhu. “O calor e a radiação intensos dividem o hidrogênio molecular que compõe as vastas nuvens de gás interestelar, extinguindo seu potencial de se acumular e se transformar em novas estrelas.”

Formação Estelar em Escala Intergaláctica

As estrelas requerem condições muito específicas para se formarem, incluindo grandes reservas de hidrogênio molecular frio, que atua como o combustível básico para a formação estelar. Os cientistas já sabiam que os quasares, frequentemente localizados nos centros de galáxias jovens e em rápido crescimento, podem destruir esse gás dentro de suas próprias galáxias hospedeiras, interrompendo a formação estelar local. O que permanecia incerto, no entanto, era se essa influência destrutiva se estendia além da galáxia de origem do quasar. Ao usar o JWST para observar a luz de um quasar que existiu há mais de 13 bilhões de anos, a equipe encontrou evidências de supressão do crescimento estelar em uma escala muito maior.

“Pela primeira vez, temos evidências de que essa radiação impacta o universo em escala intergaláctica”, disse Zhu. “Os quasares não suprimem apenas as estrelas em suas galáxias hospedeiras, mas também em galáxias próximas, dentro de um raio de pelo menos um milhão de anos-luz.” 

Segundo Zhu, essa descoberta teria sido impossível com qualquer outro telescópio.

Isso ocorre porque, quando a luz de objetos tão distantes quanto o quasar J0100+2802 chega à Terra, a expansão do universo já estendeu seus comprimentos de onda para o infravermelho. Telescópios anteriores não conseguiam detectar claramente esses tênues sinais infravermelhos, tornando o JWST excepcionalmente capaz de observar fenômenos do universo primordial.

Nossa galáxia, a Via Láctea, provavelmente já teve seu próprio quasar. Ele não está ativo hoje, mas os pesquisadores se perguntam como esse quasar impactou a formação da nossa galáxia, bem como a de outras galáxias em seu entorno.

A equipe espera testar se o fenômeno é generalizado em múltiplos campos de quasares e entender melhor como as galáxias são afetadas por quasares vizinhos e se outros fatores, menos óbvios, estão em jogo, disse Zhu.

“Compreender como as galáxias se influenciaram mutuamente no início do universo nos ajuda a entender melhor como nossa própria galáxia surgiu”, disse ele. “Agora percebemos que os buracos negros supermassivos podem ter desempenhado um papel muito maior na evolução das galáxias do que pensávamos – atuando como predadores cósmicos, influenciando o crescimento de estrelas em galáxias próximas durante o início do universo.”

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