Recorrendo ao poder de imagem e espetroscopia sem precedentes do telescópio espacial James Webb, os pesquisadores mapearam o movimento e a composição do gás que orbita um buraco negro no centro da pequena galáxia Abell 2744-QSO1.
© NASA (Abell 2744-QSO1)
Os resultados sugerem que o buraco negro com 50 milhões de massas solares é anterior à sua galáxia hospedeira, tendo-se possivelmente formado no primeiro segundo do Big Bang, e deve ter sido imenso desde o início. O que surge primeiro, a galáxia ou o buraco negro?
Os cientistas há muito que pensam que poderia ser a galáxia: grandes estrelas dentro de uma galáxia existente consomem o seu combustível e colapsam para formar buracos negros, que podem devorar o material circundante e fundir-se ao longo do tempo para formar entidades mais massivas. Mas é difícil perceber como é que buracos negros com milhões a bilhões de vezes a massa do Sol, milhares dos quais foram agora detectados no Universo primitivo, puderam ter crescido 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 os alimentar.
A conclusão da equipe baseia-se em observações detalhadas de Abell 2744-QSO1 (QSO1), um Pequeno Ponto Vermelho prototípico que existia apenas 700 milhões de anos após o Big Bang. Embora QSO1 tenha apenas 1.300 anos-luz de diâmetro e a sua luz tenha viajado por mais de 13 bilhões de anos, é mais fácil de estudar do que a maioria dos outros Pequenos Pontos Vermelhos porque sofre o efeito de lente gravitacional do aglomerado de galáxias Abell 2744 (Aglomerado de Pandora). QSO1 é tanto ampliado como triplicado, aparecendo em três locais diferentes no céu.
Estudos iniciais de QSO1 revelaram evidências convincentes de que pode ser pouco mais do que uma nuvem de gás brilhante de hidrogênio e hélio orbitando um buraco negro supermassivo estimado em 40 milhões de vezes a massa do Sol. Mas, tal como aconteceu com outros buracos negros primitivos descobertos pelo Webb, havia incerteza sobre se ele era realmente tão massivo.
Os pesquisadores utilizaram a ferramenta IFU (Integral Field Unit) do NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) do Webb para rastrear os efeitos da sua gravidade no gás que gira ao redor do buraco negro de QSO1. Quando representaram graficamente a velocidade de rotação em função da distância ao centro, descobriram que o gás tem um movimento kepleriano: orbita um ponto central da mesma forma que os planetas do nosso Sistema Solar orbitam o Sol. Isto é importante porque indica que a maior parte da massa de QSO1 está concentrada no buraco negro no centro. Se a massa estivesse mais distribuída, como seria o caso se houvesse muitas estrelas, o gás não apresentaria esta rotação kepleriana perfeita.
Uma vez que o movimento kepleriano é regido por leis simples da gravidade, ao medir a velocidade do gás foi possível calcular diretamente a massa do buraco negro, um feito que anteriormente não tinha sido possível. Foi descoberto que o buraco negro não só é imenso, com cerca de 50 milhões de massas solares, como representa uns surpreendentes dois terços da massa total de QSO1.
Esta proporção é milhares de vezes superior à das nossas galáxias vizinhas, onde os buracos negros supermassivos representam apenas uma fração minúscula da massa total da galáxia hospedeira. Os mapas de composição da IFU corroboraram estes resultados, mostrando que o gás em toda a galáxia QSO1 é quase inteiramente composto por hidrogênio e hélio, com muito poucos elementos mais pesados, como o oxigênio, que seriam de esperar numa galáxia rica em estrelas e detritos estelares. Com uma metalicidade inferior a 0,5% da do Sol, QSO1 é um dos ambientes galácticos mais primitivos alguma vez medidos.
A equipe considera que isto é um bom sinal de que os pressupostos utilizados para as medições indiretas de massa são válidos e de que as massas de outros buracos negros no Universo primitivo não foram sobrestimadas. A massa desproporcional do buraco negro de QSO1 em relação à sua galáxia hospedeira sugere que não se pode ter formado gradualmente a partir da fusão e alimentação de buracos negros de massa estelar muito menores. Os Pequenos Pontos Vermelhos como QSO1 não devem ter sido raros no Universo primitivo.
Os estudos foram publicados na revista Nature e no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Fonte: University of Cambridge