Webb encontra a evidência mais forte até agora para "estrelas de buraco negro"

O complexo quebra-cabeça dos objetos conhecidos como pequenos pontos vermelhos (LRDs, na sigla em inglês) tem se tornado gradualmente mais completo desde sua descoberta inicial pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA em 2022. Agora, o espectro de um pequeno ponto vermelho em particular está ajudando a conectar muitas das peças. 

GLIMPSE-17775 em Abell S1063 (imagem NIRCam anotada) Crédito: NASA, ESA, CSA, V. Kokorev (Universidade do Texas em Austin), A. Pagan (STScI)

Uma equipe de astrônomos liderada por Vasily Kokorev, da Universidade do Texas em Austin, identificou o ponto em questão: GLIMPSE-17775. Analisando cuidadosamente o espectro do ponto capturado pelo Webb — o espectro mais profundo já obtido de um pequeno ponto vermelho — a equipe de pesquisa identificou múltiplas evidências que corroboram a interpretação de que GLIMPSE-17775 é um buraco negro supermassivo envolto em um denso casulo de gás parcialmente ionizado. Um artigo descrevendo os resultados foi publicado hoje no The Astrophysical Journal.

“Acredito que parte da comunidade científica está convergindo para uma visão singular: a de que os pequenos pontos vermelhos podem ser explicados por modelos de estrelas com buracos negros. Mas nenhum dos pequenos pontos vermelhos anteriores reunia todas as evidências no mesmo local”, disse Kokorev, autor principal do estudo. “Com GLIMPSE-17775, podemos testar esses modelos devido à profundidade e à incrível extensão do espectro dessa fonte.”

Conectando as peças do quebra-cabeça

Logo após o início das operações científicas, o Webb descobriu um novo e misterioso tipo de objeto no início do Universo: abundantes objetos vermelhos que surgiram cerca de 600 milhões de anos após o Big Bang. Os cientistas exploraram diversas explicações para esses pequenos pontos vermelhos, incluindo o cenário de um buraco negro estelar.

Uma série de circunstâncias fortuitas possibilitou a obtenção deste espectro elaborado de um pequeno ponto vermelho. O pequeno ponto vermelho que viria a ser conhecido como GLIMPSE-17775 foi felizmente incluído nos esforços de imagem e espectroscopia do Webb para um projeto que buscava estrelas da População III [1] e galáxias tênues no aglomerado de galáxias Abell S1063. Este pequeno ponto vermelho está mais distante do que o aglomerado de galáxias e é ampliado por lente gravitacional (GLIMPSE-17775 tem um desvio para o vermelho cosmológico de 3,5, o que significa que existiu cerca de 1,8 bilhão de anos após o Big Bang).

"A fonte foi descoberta pelo programa GLIMPSE, que foi projetado para revelar as fontes mais tênues do Universo primordial", disse Hakim Atek, do Instituto de Astrofísica de Paris, na França, coautor do estudo e Investigador Principal do programa GLIMPSE. "Além disso, a ampliação causada pelas lentes gravitacionais também permite uma caracterização mais detalhada de objetos mais brilhantes, incluindo LRDs como GLIMPSE-17775."

Embora o Webb tenha fornecido um espectro de 30 horas do pequeno ponto vermelho, o efeito da lente gravitacional o tornou equivalente a 80 horas de tempo de telescópio. Essa combinação da sensibilidade infravermelha do Webb e da própria “lupa” da natureza amplificou a quantidade de detalhes que puderam ser obtidos de GLIMPSE-17775. O resultado foi mais de 40 linhas espectrais [2] dessa pequena fonte vermelha, que é o espectro LRD mais detalhado até o momento.

“Quando vimos o espectro pela primeira vez, foi como ter todas as peças de um quebra-cabeça espalhadas pelo chão”, disse Kokorev. “Pegamos cada peça do quebra-cabeça, medimos as linhas e começamos a combinar as diferentes peças em um mosaico. Talvez algumas peças não parecessem nada a princípio, mas então algumas delas se juntaram e percebemos que havia algo ali.”

Os dados espectroscópicos coletados pelo Webb contêm múltiplas evidências que apoiam a interpretação de que o pequeno ponto vermelho GLIMPSE-17775 é uma estrela com buraco negro: um buraco negro em rápida acreção, ou crescimento, envolto em um denso casulo de gás, que reprocessa a luz emitida de perto do buraco negro e produz as características observadas no espectro.

Linhas de evidência

Entre as mais de 40 linhas espectrais detectadas pela equipe no espectro de GLIMPSE-17775, havia diversos indicadores independentes que se alinham com o cenário de estrela com buraco negro. Por exemplo, a equipe descobriu que muitas das linhas espectrais (como hidrogênio, oxigênio e hélio) não se encaixam em um modelo simples de uma nuvem de gás em rotação. Em vez disso, o modelo que melhor se ajusta inclui um efeito de alargamento conhecido como espalhamento de elétrons: um sinal revelador de que um denso casulo de gás em camadas envolve essa fonte.

A intensidade e a proporção de certas linhas espectrais entre si, principalmente as 16 linhas de ferro que compõem o que a equipe denominou "floresta de ferro" e certas linhas de oxigênio, exigem uma fonte de alta energia para serem produzidas, como um buraco negro em rápida acreção. Além disso, os astrônomos observaram a fluorescência e a absorção de hélio no espectro, ambas sugerindo individualmente a presença de um meio denso envolvendo uma fonte poderosa.

O cenário da estrela com buraco negro não só se encaixa em GLIMPSE-17775; como também explica por que a maioria dos pequenos pontos vermelhos são fracos em raios X, já que qualquer emissão desse tipo provavelmente é absorvida pelo denso casulo de gás.

Um elemento que faltava no quebra-cabeça do GLIMPSE-17775 era a parte do espectro que revelaria o que é conhecido como quebra de Balmer, ou seja, uma queda acentuada na luz emitida, característica marcante de pequenos pontos vermelhos. Para obter uma compreensão mais abrangente desse pequeno ponto vermelho, a equipe incorporou dados auxiliares de dois programas de observação que utilizaram o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA : os programas Frontier Fields e BUFFALO (Beyond Ultra-deep Frontier Fields And Legacy Observations).

Os dados do Webb e do Hubble, em conjunto, ajudam a explicar por que a quebra de Balmer é mais fraca do que a encontrada tipicamente em outros pequenos pontos vermelhos: uma galáxia hospedeira gigante circunda o GLIMPSE-17775. Embora a galáxia hospedeira de um pequeno ponto vermelho não seja algo comumente observado em tal escala, isso não é inconsistente com o modelo de casulo de gás denso. O modelo de buraco negro e estrela para pequenos pontos vermelhos atribui o excesso de luz azul às estrelas da galáxia hospedeira.

Quando o Webb descobriu os pequenos pontos vermelhos pela primeira vez, alguns pesquisadores pensaram que esses objetos haviam "quebrado a cosmologia", sem saber como as galáxias poderiam ter crescido tanto e tão rapidamente no início do Universo para explicar toda essa luz vinda de suas estrelas. No entanto, a equipe acredita que a peça do quebra-cabeça do GLIMPSE-17775 se encaixa perfeitamente na estrutura existente da história evolutiva do Universo, porque as massas dos buracos negros não precisam ser tão altas para explicar as amplas linhas de emissão.

“Tudo se encaixa, nada está quebrado, e acho que isso torna o quebra-cabeça que é o nosso Universo ainda melhor”, disse Kokorev. “Olhando para o futuro, estou ansioso para me aprofundar e aprender sobre o que alimenta os motores centrais desses pequenos pontos vermelhos. Embora acreditemos que seja um buraco negro, existem outras teorias interessantes sendo propostas, o que é empolgante. Talvez em um ou dois anos, tenhamos a resposta definitiva sobre o que alimenta essas fontes.”

Esawebb.org