Webb revela buraco negro que se formou antes de sua galáxia

 A primeira medição direta da massa no início do Universo contribui para o debate sobre as origens dos buracos negros supermassivos. 

 Esta é uma imagem da NIRCam (Near Infrared Camera) do Webb que mostra o Abell2744-QSO1, ampliado e triplamente fotografado pelo aglomerado de galáxias Abell 2744 . Crédito: NASA, ESA, CSA, L. Furtak (Universidade Ben-Gurion), R. Maiolino (Cambridge), F. D'Eugenio (Cambridge), I. Juodžbalis (Cambridge), H. Übler (MPE), C. Marconcini (Universidade de Florença); processamento de imagem - A. Pagan

Utilizando o poder de imagem e espectroscopia sem precedentes do Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA, pesquisadores mapearam o movimento e a composição do gás que orbita um buraco negro no centro de Abell2744-QSO1, uma galáxia minúscula a mais de 13 bilhões de anos-luz de distância. Os resultados sugerem que o buraco negro de 50 milhões de massas solares é anterior à sua galáxia hospedeira, possivelmente tendo se formado no primeiro segundo do Big Bang, e que devia ser imenso desde o início.

O que veio primeiro, a galáxia ou o buraco negro? Os cientistas há muito tempo acreditam que possa ter sido a galáxia: estrelas grandes dentro de uma galáxia existente consomem seu combustível e colapsam para formar buracos negros, que podem engolir o material ao redor e se fundir ao longo do tempo para formar entidades ainda mais massivas. Mas é difícil entender como buracos negros com milhões ou bilhões de vezes a massa do Sol, milhares dos quais já foram detectados no início do Universo, puderam crescer tão rapidamente a partir de sementes tão pequenas.

Agora, pesquisadores que utilizam o Webb detectaram evidências claras de que alguns buracos negros supermassivos eram enormes desde o início, formando-se sem uma fase de colapso estelar e sem uma galáxia hospedeira significativamente mais massiva para alimentá-los.

“ Esta é uma descoberta notável ”, disse Roberto Maiolino, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, coautor dos estudos publicados hoje na Nature e no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . “ É uma mudança de paradigma, uma revisão completa dos cenários clássicos de como os buracos negros se formam e crescem. ”

Pequeno Ponto Vermelho QSO1

A conclusão da equipe baseia-se em observações detalhadas de Abell2744-QSO1 (QSO1), um protótipo de Pequeno Ponto Vermelho que existiu apenas 700 milhões de anos após o Big Bang.

Embora QSO1 tenha apenas 1.300 anos-luz de diâmetro e sua luz viaje há mais de 13 bilhões de anos, é mais fácil estudá-lo do que a maioria dos outros Pequenos Pontos Vermelhos, pois sofre o efeito de lente gravitacional do aglomerado de galáxias Abell 2744 ( Aglomerado de Pandora ). QSO1 é ampliado e triplamente projetado, aparecendo em três locais diferentes no céu. 

Os estudos iniciais do QSO1 revelaram evidências convincentes de que ele pode ser pouco mais do que uma nuvem de gás hidrogênio e hélio brilhante orbitando um buraco negro supermassivo estimado em 40 milhões de vezes a massa do Sol. Mas, assim como aconteceu com outros buracos negros descobertos pelo Webb, havia incerteza sobre se ele realmente tinha essa massa.

“ Até agora, todas as medições de massa de buracos negros no Universo primordial eram indiretas, baseadas em suposições a partir do que sabemos sobre eles no Universo local. Não sabíamos se essas suposições realmente se aplicavam ao Universo distante ”, disse o coautor Francesco D'Eugenio, também da Universidade de Cambridge.

Mapeamento da composição e velocidade do gás

A equipe reconheceu que, se o buraco negro do QSO1 for tão massivo quanto parece, eles deveriam ser capazes de usar a unidade de campo integral (IFU) do NIRSpec ( espectrógrafo de infravermelho próximo ) do Webb para rastrear os efeitos de sua gravidade no gás que gira ao seu redor, além de mapear a distribuição de vários elementos no gás.

Ignas Juodžbalis, estudante de pós-graduação de Cambridge, e Cosimo Marconcini, da Universidade de Florença, Itália, autores principais de um dos estudos, usaram as observações do IFU para mapear os movimentos do gás hidrogênio ao redor do buraco negro. Ao plotar a velocidade de rotação em função da distância do centro, eles descobriram que o gás tem movimento kepleriano: orbita um ponto central da mesma forma que os planetas do nosso Sistema Solar orbitam o Sol.

“ Isso é importante porque nos indica que a maior parte da massa do QSO1 está concentrada no buraco negro central ”, disse Juodžbalis. “ Se a massa estivesse mais distribuída, como aconteceria se houvesse muitas estrelas, o gás não teria essa rotação kepleriana perfeita.”

Como o movimento kepleriano é regido por leis simples da gravidade, a equipe conseguiu usar as medições da velocidade do gás para calcular diretamente a massa do buraco negro, um feito que não havia sido possível anteriormente. Eles descobriram que o buraco negro não só é imenso — com aproximadamente 50 milhões de massas solares — como também representa dois terços da massa total do quasar QSO1. Essa proporção é milhares de vezes maior do que em galáxias próximas, onde buracos negros supermassivos representam apenas uma pequena fração da massa total da galáxia hospedeira.

Os mapas de composição do IFU corroboraram esses resultados, mostrando que o gás em todo o QSO1 é quase inteiramente composto de hidrogênio e hélio, com muito pouco dos elementos mais pesados, como o oxigênio, que seriam esperados em uma galáxia rica em estrelas e detritos estelares. Com uma metalicidade inferior a 0,5% da do Sol, o QSO1 é um dos ambientes galácticos mais puros já medidos. 

“ Este é um resultado fenomenal ”, disse Maiolino. “ É a primeira medição direta da massa de um buraco negro dentro do primeiro bilhão de anos após o Big Bang, e é consistente com as medições anteriores. ” A equipe acredita que isso é um bom sinal de que as suposições usadas para medições indiretas de massa são válidas e que as massas de outros buracos negros no início do Universo não foram superestimadas.

Origens dos buracos negros supermassivos

A massa descomunal do QSO1 em relação à sua galáxia hospedeira sugere que ele não pode ter se formado gradualmente a partir da fusão e alimentação de buracos negros muito menores, de massa estelar. " Parece que encontramos um buraco negro que não possui uma galáxia hospedeira substancial e que antecedeu os processos estelares ", disse Juodžbalis. " Isso é muito empolgante porque é uma evidência de buracos negros primordiais ou buracos negros de colapso direto, que foram teorizados, mas ainda não confirmados."

Independentemente de o buraco negro do QSO1 ter evoluído a partir de uma "semente pesada" que se formou no primeiro segundo do Big Bang ou um pouco mais tarde, a partir do colapso de uma nuvem gigante de gás, é quase certo que ele nasceu grande e pode estar nos estágios iniciais de formação de uma galáxia ao seu redor.

A equipe acredita que os Pequenos Pontos Vermelhos, como o QSO1, não podem ter sido raros no início do Universo e está analisando objetos semelhantes para descobrir se os buracos negros supermassivos realmente são anteriores às galáxias onde residem atualmente.

Esawebb.org