Usando o Telescópio Espacial James Webbos astrónomos olharam para trás 13 mil milhões de anos para descobrir quasares surpreendentemente solitários e supermassivos alimentados por buracos negros.
O Telescópio Espacial James WebbAs observações de (JWST) são confusas porque isoladas buracos negros deveria lutar para reunir massa suficiente para alcançar o status de supermassivo, especialmente apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang. A descoberta turva ainda mais as águas quando se trata do enigma de como alguns buracos negros cresceram até atingir massas equivalentes a milhões ou mesmo milhares de milhões de sóis quando o Universo tinha menos de mil milhões de anos.
As descobertas surgiram depois de uma equipa de cientistas ter utilizado o JWST para estudar os ambientes de cinco dos primeiros quasares conhecidos, que se formaram quando o cosmos tinha entre 600 e 700 milhões de anos. A equipe descobriu que os arredores desses quasares, conhecidos como “campos de quasares”, eram surpreendentemente variados. Alguns eram os ambientes densamente compactados que os cientistas preveem, mas outros eram “despensas vazias” escassamente povoadas que teriam dificuldade em alimentar o crescimento de buracos negros supermassivos.
“Ao contrário da crença anterior, descobrimos que, em média, estes quasares não estão necessariamente nas regiões de maior densidade do universo primitivo. Alguns deles parecem estar no meio do nada,” Anna-Christina Eilers, professora assistente de física do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, disse em um comunicado. “É difícil explicar como é que estes quasares podem ter crescido tanto se parecem não ter nada de que se alimentar.”
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Quasares precisam de despensas cheias
Acredita-se que buracos negros supermassivos se escondem no coração de todas as grandes galáxias do universo relativamente moderno. Como nenhuma estrela é grande o suficiente para entrar em colapso e os buracos negros com massas tão monstruosas, os cientistas sabem que os buracos negros supermassivos devem se formar de maneiras diferentes dos chamados “buracos negros de massa estelar”, com massas entre 10 e 100 vezes a do Sol, nascidos da morte de estrelas massivas.
Buracos negros supermassivos podem crescer através de fusões progressivas de buracos negros cada vez maiores, sugerem os modelos – no entanto, o problema é que este processo deve levar mais de 1 bilhão de anos. No entanto, o JWST está a observar buracos negros supermassivos que se formaram em muito menos tempo.
É possível ver estes buracos negros supermassivos porque se situam em ambientes imediatos turbulentos e ricos em gás, chamados núcleos galácticos activos (AGN), dos quais se alimentam. Isso também facilita seu crescimento. A imensa massa dos buracos negros nestes ambientes faz com que nuvens achatadas de gás e poeira em torno deles brilhem intensamente, muitas vezes ofuscando a luz combinada de cada estrela da galáxia que os abriga. Esta luz, trilhões de vezes mais brilhante que o Sol, indica um quasar.
No entanto, os buracos negros supermassivos precisam de um “serviço de entrega” para manter o seu entorno imediato bem abastecido com gás e poeira para alcançar esta luminosidade incrível.
“É simplesmente fenomenal que agora tenhamos um telescópio que pode capturar luz de 13 mil milhões de anos atrás com tantos detalhes”, disse Eilers. “Pela primeira vez, o JWST permitiu-nos observar o ambiente destes quasares, onde cresceram e como era a sua vizinhança.”
Para investigar os arredores mais amplos dos quasares, a equipe selecionou cinco regiões alimentadas por buracos negros supermassivos estudadas pelo JWST entre agosto de 2022 e junho de 2023. Isso exigiu “costurar” várias imagens para criar um mosaico de campo de quasar para cada vizinhança de buraco negro supermassivo.
Ao processar os múltiplos comprimentos de onda da luz nas imagens, também foi possível determinar se a luz vinha de uma galáxia vizinha de um quasar e medir a que distância essa galáxia se originou no brilhante quasar central.
“Descobrimos que a única diferença entre estes cinco quasares é que os seus ambientes parecem muito diferentes,” disse Eilers. “Por exemplo, um quasar tem quase 50 galáxias ao seu redor, enquanto outro tem apenas duas. E ambos os quasares têm o mesmo tamanho, volume, brilho e tempo do universo.
“Isso foi realmente surpreendente de ver.”
Os primeiros buracos negros supermassivos tiveram 'surtos de crescimento'?
As descobertas da equipe desafiam a ideia do crescimento de buracos negros supermassivos e até mesmo da formação de galáxias como um todo. O entendimento atual é que esta evolução foi guiada por uma vasta “teia cósmica” de matéria escura; a matéria escura representa cerca de 85% de toda a matéria, mas permanece efetivamente invisível para nós.
Filamentos de matéria escura na teia cósmica guiaram gás e poeira no universo primitivo, atraindo matéria primordial ao longo de seus vastos tentáculos. Onde os fios desta teia cósmica se encontravam, acumulavam-se regiões excessivamente densas de matéria. Aqui, as primeiras galáxias foram construídas e os primeiros quasares deveriam ser encontrados.
“A teia cósmica de matéria escura é uma previsão sólida do nosso modelo cosmológico do universo e pode ser descrita em detalhes usando simulações numéricas”, disse no comunicado o líder da equipe, Elia Pizzati, estudante de graduação na Universidade de Leiden. “Ao comparar as nossas observações com estas simulações, podemos determinar onde os quasares estão localizados na teia cósmica.”
Os buracos negros supermassivos situados nesses nós da teia cósmica deveriam crescer através do acúmulo constante e rápido de gás e poeira fornecidos pela teia cósmica, como um Grub Hub galáctico – isso permitiria que os quasares atingissem massas monstruosas e brilho extremo – mas os cientistas ainda precisamos saber como isso aconteceu tão cedo na história do universo.
“A principal questão que estamos a tentar responder é: como é que estes buracos negros com milhares de milhões de massas solares se formam numa altura em que o Universo ainda é muito, muito jovem? Ainda está na sua infância,” disse Eilers.
Infelizmente, esta pesquisa parece ter levantado mais questões do que respostas às que já preocupavam os cientistas. As vizinhanças áridas parecem significar uma falta de matéria escura e densidades excessivas de nós da teia cósmica. Se for esse o caso, as actuais teorias dos mecanismos de crescimento não conseguem explicar estes quasares.
Uma solução potencial para este mistério é que estes primeiros quasares estão, na verdade, rodeados por poeira cósmica e, portanto, não são visíveis. A equipa pretende agora “ajustar” as suas observações destes campos de quasares potencialmente vazios para descobrir quaisquer dessas galáxias encobertas.
“Os nossos resultados mostram que ainda falta uma peça significativa do puzzle sobre como estes buracos negros supermassivos crescem,” concluiu Eilers. “Se não há material suficiente para que alguns quasares possam crescer continuamente, isso significa que deve haver alguma outra maneira de crescerem que ainda temos que descobrir”.
A pesquisa da equipe foi publicada em 17 de outubro em O Jornal Astrofísico.
Postado originalmente em Espaço.com.
