Ao perscrutar os primórdios do Universo com 13,8 bilhões de anos, o telescópio espacial James Webb detectou uma galáxia tal como existia apenas 700 milhões de anos após o Big Bang.
© T. Müller (ilustração de região brilhante em torno de um quasar)
É surpreendente como é que o buraco negro no seu centro podia já ter bilhões de vezes a massa do Sol quando o Universo estava ainda na sua infância. As observações do James Webb foram concebidas para analisar mais de perto o mecanismo de alimentação, mas não encontraram nada de extraordinário.
Aparentemente, os buracos negros já estavam crescendo de uma forma semelhante à atual. Mas o resultado é ainda mais significativo: pode mostrar que os astrônomos sabem menos sobre a formação das galáxias do que pensavam. E, no entanto, as medições não são de modo algum decepcionantes. Pelo contrário. Os primeiros bilhões de anos da história cósmica constituem um desafio: os primeiros buracos negros conhecidos nos centros das galáxias têm massas surpreendentemente grandes. Como é que se tornaram tão massivos, tão rapidamente? As novas observações aqui descritas fornecem fortes evidências contra algumas explicações propostas, nomeadamente contra um "modo de alimentação ultraeficaz" para os primeiros buracos negros.
As estrelas e as galáxias mudaram enormemente ao longo dos últimos 13,8 bilhões de anos, o tempo de vida do Universo. As galáxias tornaram-se maiores e adquiriram mais massa, quer consumindo o gás circundante, quer ocasionalmente fundindo-se umas com as outras. Durante muito tempo, foi assumido que os buracos negros supermassivos nos centros das galáxias teriam crescido gradualmente juntamente com as próprias galáxias. Mas o crescimento dos buracos negros não pode ser arbitrariamente rápido. A matéria que cai sobre um buraco negro forma um disco de acreção rodopiante, quente e brilhante. Quando isto acontece em torno de um buraco negro supermassivo, o resultado é um núcleo galáctico ativo. Os objetos mais brilhantes, conhecidos como quasares, estão entre os objetos astronômicos mais brilhantes de todo o cosmos. Mas esse brilho limita a quantidade de matéria que pode cair sobre o buraco negro: a luz exerce uma pressão que pode impedir a entrada de matéria adicional.
Foi por isso que os astrônomos ficaram surpreendidos quando, nos últimos vinte anos, as observações de quasares distantes revelaram buracos negros muito jovens que, no entanto, tinham atingido massas tão elevadas como 10 bilhões de massas solares. A luz leva tempo para viajar de um objeto distante até nós, pelo que olhar para objetos distantes significa olhar para um passado longínquo. Vemos os quasares mais distantes conhecidos tal como eram numa época conhecida como "amanhecer cósmico", menos de um bilhão de anos após o Big Bang, quando se formaram as primeiras estrelas e galáxias.
Explicar estes primeiros buracos negros massivos é um desafio considerável para os atuais modelos de evolução das galáxias. Será que os primeiros buracos negros eram muito mais eficientes acretando gás do que os seus homólogos atuais? Ou poderá a presença da poeira afetar as estimativas de massa dos quasares de tal forma que os pesquisadores sobrestimam as massas dos primeiros buracos negros?
Decidir qual das explicações está correta requer uma imagem mais completa dos quasares do que a que existia anteriormente. Com o advento do telescópio espacial James Webb, e mais concretamente do seu instrumento MIRI (Mid-Infrared Instrument), a capacidade dos astrônomos para estudar quasares distantes deu um salto gigantesco. Para medir os espectros de quasares distantes, o MIRI é 4.000 vezes mais sensível do que qualquer outro instrumento anterior.
Em 2019, foi observado o quasar mais distante conhecido, um objeto que tem a designação J1120+0641. Em janeiro de 2023, durante o primeiro ciclo de observações do James Webb,foi efetuado o primeiro estudo no infravermelho médio de um quasar no período do amanhecer cósmico, apenas 770 milhões de anos após o Big Bang (desvio para o vermelho z=7). A informação não provém de uma imagem, mas de um espectro: a decomposição da luz do objeto em componentes de diferentes comprimentos de onda, semelhante a um arco-íris.
A forma geral do espectro no infravermelho médio codifica as propriedades de um grande toróide de poeira que rodeia o disco de acreção nos quasares típicos. Este toróide ajuda a guiar a matéria para o disco de acreção, "alimentando" o buraco negro. Uma diferença notável é que nenhum modelo de crescimento rápido dos quasares antigos previa: a temperatura da poeira é um pouco mais elevada, cerca de 100 K mais quente do que os 1.300 K encontrados para a poeira mais quente em quasares menos distantes. A parte de menor comprimento de onda do espectro, dominada pelas emissões do próprio disco de acreção, mostra que para observadores distantes, a luz do quasar não é obscurecida por mais poeira do que o habitual.
A região de linhas largas do quasar, onde aglomerados de gás orbitam o buraco negro a velocidades próximas da velocidade da luz, o que permite deduzir a massa do buraco negro e a densidade e ionização da matéria circundante, também parece normal. Em quase todas as propriedades que podem ser deduzidas do espectro, J1120+0641 não é diferente dos quasares de épocas posteriores.
Aparentemente, não só os buracos negros supermassivos, mas também os seus mecanismos de alimentação já estavam completamente "maduros" quando o Universo tinha apenas 5% da sua idade atual. Ao excluir uma série de soluções alternativas, os resultados apoiam fortemente a ideia de que os buracos negros supermassivos começaram com massas consideráveis desde o início. Os buracos negros supermassivos não se formaram a partir de remanescentes de estrelas primitivas, que depois se tornaram massivos muito rapidamente. Devem ter-se formado cedo, com massas iniciais de pelo menos cem mil massas solares, presumivelmente através do colapso de nuvens massivas de gás.
Um artigo foi publicado na revista Nature Astronomy.
Fonte: Max Planck Institute for Astronomy
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