Buracos negros ativos são mais comuns do que pensávamos.

Um novo levantamento encontrou mais núcleos galácticos ativos em galáxias pequenas do que nunca, além de um aumento acentuado no número desses núcleos à medida que a massa das galáxias aumenta. 

Sabe-se que a galáxia anã Henize 2-10 abriga um buraco negro central ativo. No entanto, a questão de quantas galáxias anãs abrigam buracos negros centrais permanece sem resposta. Crédito: NASA, ESA, Zachary Schutte (XGI), Amy Reines (XGI); Processamento de imagem: Alyssa Pagan (STScI) 

Astrônomos criaram um censo abrangente de núcleos galácticos ativos (AGN) — galáxias alimentadas por um buraco negro central. O novo censo, liderado por Mugdha Polimera, desenvolvedora de pipelines de dados do Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian, teve início enquanto ela ainda era estudante de pós-graduação na Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill, trabalhando com duas importantes equipes de levantamento de galáxias.

O estudo mostra que cerca de 2% a 5% das galáxias anãs abrigam buracos negros ativos — cerca de cinco vezes mais do que o encontrado na maioria dos trabalhos anteriores. Ele também revela uma tendência clara: à medida que a massa da galáxia aumenta, o número de galáxias que abrigam buracos negros ativos também aumenta, com um aumento acentuado em galáxias de massa intermediária — aquelas com massas semelhantes à da nossa Via Láctea, que se situam entre as galáxias anãs e as maiores galáxias.

Os resultados foram apresentados no início deste ano em uma coletiva de imprensa durante a 247ª reunião da Sociedade Astronômica Americana, em 8 de janeiro.

Encontrando buracos negros ativos

Os astrônomos acreditam que todas as galáxias grandes e pelo menos algumas galáxias anãs abrigam um buraco negro supermassivo central com milhões a bilhões de massas solares. Mas nem todos esses buracos negros são ativos — ou seja, não consomem matéria como gás e poeira.

Encontrar núcleos galácticos ativos (AGN) pode ser difícil. Distinguir o sinal de um buraco negro central ativo do brilho da intensa formação estelar na galáxia ao seu redor é um dos maiores desafios, particularmente em galáxias anãs menores, onde a formação estelar rápida é comum.

Testes diagnósticos padrão decompõem a luz de uma galáxia por comprimento de onda para procurar forte emissão de oxigênio e nitrogênio, o que pode indicar um buraco negro em atividade. Galáxias com núcleo galáctico ativo (AGN) normalmente exibem muita dessa emissão, porque esses gases requerem alta energia — como a proveniente de um buraco negro em atividade — para brilhar em certos comprimentos de onda.

 Mas há um porém: essa emissão depende da metalicidade da galáxia, ou seja, da quantidade de metais (para astrônomos, qualquer elemento mais pesado que o hélio) que ela contém. Galáxias anãs com baixa metalicidade (pobres em metais) frequentemente apresentam fraca emissão de nitrogênio, reduzindo a eficácia dos testes padrão, de modo que os astrônomos podem não detectar um núcleo galáctico ativo (AGN) devido ao sinal fraco. Assim, em 2022, uma pesquisa liderada por Polimera desenvolveu uma nova abordagem para identificar AGN em galáxias anãs usando a emissão de enxofre e oxigênio neutro, que ainda é forte mesmo em anãs com baixa metalicidade.

“Identificamos uma categoria de galáxias onde o indicador [padrão] sensível à metalicidade mostrou 'Não há AGN', mas indicadores [novos] menos sensíveis à metalicidade sugeriram 'Pode haver um AGN presente'”, diz Polimera.

Atualização dos números da AGN

Para construir um censo atualizado de núcleos galácticos ativos (AGN), a equipe analisou 8.000 galáxias dos levantamentos REsolved Spectroscopy Of a Local VolumE (RESOLVE) e Environmental COntext (ECO) usando o novo método de classificação. Eles combinaram observações ópticas do Sloan Digital Sky Survey com dados de infravermelho médio do Wide-field Infrared Survey Explorer para identificar AGN em galáxias de diferentes massas.

Com a nova abordagem, eles descobriram cerca de cinco vezes mais buracos negros ativos em galáxias anãs do que na maioria dos estudos anteriores. Os resultados sugerem que cerca de 2% a 5% das galáxias anãs abrigam um buraco negro ativo e que 16% a 27% das galáxias "transicionais" — aquelas entre anãs e galáxias de tamanho intermediário, como a nossa Via Láctea — contêm buracos negros ativos. Essa fração sobe para 20% a 48% em galáxias gigantes.

As porcentagens variam tanto simplesmente porque, mesmo com os métodos aprimorados, a formação de estrelas e a atividade de buracos negros podem confundir o espectro de uma galáxia. Essa ampla variação reflete a incerteza.

No entanto, o trabalho “é particularmente empolgante e parece ser um resultado robusto”, afirma Ragadeepika Pucha, pesquisadora de pós-doutorado da Universidade de Utah que não participou do estudo. Ela observa que, em especial, o uso de dados ópticos e infravermelhos médios leva a um levantamento mais completo, já que a poeira às vezes pode ocultar a atividade de núcleos galácticos ativos (AGN) na porção óptica do espectro.

Relacionando núcleos galácticos ativos (AGN) e massa da galáxia

Embora o aumento de buracos negros ativos em galáxias semelhantes à Via Láctea em comparação com galáxias anãs seja evidente, apesar das incertezas, os pesquisadores ainda não têm certeza das razões por trás disso. O salto pode refletir mudanças físicas reais, limitações observacionais ou uma combinação de ambos. "Quando algo está mudando fisicamente em uma galáxia ou em um buraco negro, isso pode afetar a capacidade de observação ou detecção", afirma Sheila Kannappan , investigadora principal dos levantamentos RESOLVE e ECO na Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill e coautora do estudo.

“Uma hipótese sugere que a formação estelar extrema em galáxias pequenas pode, na verdade, impedir o abastecimento de buracos negros”, explica Polimera. Episódios de intensa formação estelar — comuns em galáxias anãs — podem liberar fortes ventos estelares e explosões de supernovas que expulsam o gás das regiões centrais da galáxia. Se esse gás for lançado para longe ou expelido antes de ter a chance de se deslocar para o interior, o buraco negro pode ficar sem combustível.

Outra razão pode ser que, à medida que as galáxias crescem em tamanho e massa, elas se tornam melhores hospedeiras para buracos negros ativos. Kannappan explica que o aumento nas detecções de núcleos galácticos ativos (AGN) em massas intermediárias coincide com uma transição de galáxias anãs, que tendem a ter pouca estrutura, para galáxias bem ordenadas com bojos e braços espirais. "A formação de bojos em particular", que tendem a concentrar gás no centro da galáxia, "pode ​​estar ligada à formação e/ou à detectabilidade de buracos negros ativos... mas ainda não entendemos os detalhes", afirma ela.

Pucha explica que os buracos negros são mais fáceis de detectar quando estão se alimentando ativamente de gás — quando o núcleo galáctico ativo (AGN) está "ligado". Em qualquer dado momento, provavelmente estamos observando apenas uma fração da população total de buracos negros, já que muitos passam despercebidos porque estão "desligados".

Esta é uma representação artística do quasar recordista J059-4351. Trata-se do núcleo brilhante de uma galáxia distante, alimentado por um buraco negro supermassivo, mas os astrônomos ainda não sabem ao certo como os primeiros buracos negros supermassivos cresceram tanto e tão rapidamente. Crédito: ESO/M. Kornmesser

No entanto, vieses observacionais também são um fator provável. "Os diagnósticos podem não funcionar da mesma forma em galáxias de baixa massa como funcionam na escala de galáxias massivas", observa Pucha.

Além disso, o estudo baseou-se em dados ópticos que capturaram apenas o centro da galáxia. Kannappan observa que isso pode significar que estão perdendo atividade em galáxias com um núcleo galáctico ativo (AGN) fora do centro.

Construindo buracos negros supermassivos

Os astrônomos ainda não sabem como os buracos negros supermassivos se formam . Uma possibilidade é que galáxias anãs com buracos negros centrais menores se fundam ao longo do tempo, gradualmente se transformando em galáxias maiores com os buracos negros monstruosos que vemos hoje.

Outro grande debate gira em torno da questão de se os buracos negros supermassivos se formaram a partir de "sementes leves" deixadas quando as primeiras estrelas explodiram em supernovas, que então cresceram rapidamente, ou a partir de "sementes pesadas" criadas quando enormes nuvens de gás colapsaram diretamente em buracos negros já massivos. Grande parte da física subjacente a ambos os métodos permanece incerta, e nossos modelos atuais desses processos estão longe de estar completos.

Compreender quantas galáxias de baixa massa abrigam núcleos galácticos ativos (AGN) é, portanto, crucial para testar esses cenários de formação. Com base no número de galáxias com buracos negros ativos, os pesquisadores podem trabalhar retroativamente para determinar qual mecanismo é mais provável, usando esses números como base em suas simulações. O novo levantamento fornece, assim, um limite inferior crítico para esses modelos.

Os pesquisadores agora pretendem obter um inventário maior de buracos negros ativos para aprofundar nossa compreensão de suas propriedades. Pucha afirma que, como os raios X são os indicadores mais confiáveis ​​da atividade de núcleos galácticos ativos (AGN), observar galáxias de menor massa nesses comprimentos de onda melhoraria o levantamento de AGN.

Estudos subsequentes também estão examinando galáxias minúsculas, as chamadas galáxias pepita , onde a formação estelar diminui aproximadamente na mesma massa galáctica em que as detecções de núcleos galácticos ativos (AGN) aumentam. Os pesquisadores também estão modelando se a formação estelar em galáxias anãs pode realmente suprimir a atividade de AGN, tornando esses buracos negros mais difíceis de detectar.

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