Nova forma de encontrar buracos negros escondidos no Universo primitivo

Uma equipe internacional de investigação liderada pelo professor Ken-ichi Tadaki da Universidade Hokkai-Gakuen, no Japão, fez uma descoberta inovadora utilizando o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array).

© K. Tadaki (intensa radiação proveniente de buraco negro)

A equipe captou sinais de rádio de alta resolução sem precedentes do gás quente que rodeia um buraco negro supermassivo. Esta técnica de observação inovadora promete revelar buracos negros escondidos que se formaram durante os primeiros estágios do Universo. O buraco negro supermassivo está localizado a 12,9 bilhões de anos-luz de distância e tem uma massa superior a um bilhão de vezes a do Sol.

Os quasares estão entre os objetos mais brilhantes do Universo, alimentados por buracos negros supermassivos que geram uma energia intensa à medida que consomem a matéria circundante. A análise das regiões mais internas dos quasares distantes tem sido um desafio, apesar do seu brilho. 

Neste estudo inovador, os pesquisadores concentraram-se nos sinais de rádio emitidos por moléculas de monóxido de carbono (CO) altamente energizadas. As observações de altíssima resolução revelaram, pela primeira vez, os mecanismos de aquecimento que afetam o gás a apenas algumas centenas de anos-luz do buraco negro. A deteção de fortes emissões de CO a altos níveis energéticos indica condições de gás extraordinariamente quentes em torno do buraco negro.

Embora a radiação ultravioleta das estrelas recém-formadas aqueça tipicamente o gás nas regiões de formação estelar, as condições extremas observadas não podem ser explicadas apenas pela atividade estelar. A pesquisa aponta para os poderosos raios X que emanam do disco de acreção e da coroa do buraco negro como a principal fonte de aquecimento. Estes raios X podem elevar as temperaturas do gás muito para além dos níveis observados nas típicas regiões de formação estelar.

Além disso, a equipe encontrou evidências de que os poderosos ventos do quasar e as ondas de choque contribuem ainda mais para este aquecimento extremo, demonstrando que a região central do quasar representa um dos ambientes mais dinâmicos do cosmos. Esta descoberta tem implicações significativas para a nossa compreensão das populações de buracos negros no Universo primitivo.

Os quasares orientados com linhas de visão relativamente claras aparecem excepcionalmente brilhantes no visível e em raios X. No entanto, se o quasar for visto através de uma camada muito mais espessa de poeira cósmica, a luz visível e os raios X podem ser bloqueados, fazendo com que fique "escondido". Muitos buracos negros supermassivos podem estar escondidos em regiões poeirentas do Universo primitivo, simplesmente sem serem detectados. Como as ondas de rádio observadas pelo ALMA não são facilmente absorvidas pela poeira, esta técnica torna-se uma ferramenta poderosa para descobrir estes buracos negros supermassivos escondidos.

Ao aplicar observações semelhantes de alta resolução de emissões energéticas de CO em outros objetos, os astrônomos esperam desenvolver um censo mais abrangente de buracos negros supermassivos primitivos e obter conhecimentos cruciais sobre a sua formação e evolução.

Um artigo foi publicado na revista Nature Astronomy.

Fonte: National Astronomical Observatory of Japan

Galáxia no nevoeiro misteriosamente limpo do Universo primitivo

Utilizando a sensibilidade única ao infravermelho do telescópio espacial James Webb, foi possível examinar galáxias antigas para sondar os segredos do Universo primitivo.

© NASA (localização da galáxia JADES-GS-z13-1)

Agora, astrônomos identificaram emissões brilhantes de hidrogênio de uma galáxia num período inesperadamente precoce da história do Universo. A descoberta surpreendente propõe o desafio: como é que esta luz pode ter atravessado a espessa névoa de hidrogênio neutro que preenchia o espaço nesse momento?

A extraordinária sensibilidade do Webb à luz infravermelha abre também novas vias de investigação sobre quando e como estas galáxias se formaram, e os seus efeitos no Universo na aurora cósmica. O Webb descobriu a galáxia incrivelmente distante JADES-GS-z13-1, observada apenas 330 milhões de anos após o Big Bang, em imagens obtidas pelo instrumento NIRCam (Near-Infrared Camera) do Webb no âmbito do programa JADES.

Os pesquisadores utilizaram o brilho da galáxia em diferentes filtros infravermelhos para estimar o seu desvio para o vermelho, que mede a distância de uma galáxia à Terra com base na forma como a sua luz foi esticada durante a sua viagem através do espaço em expansão. As imagens do NIRCam produziram uma estimativa de um desvio para o vermelho de 13. Isto equivale a uma galáxia vista apenas 330 milhões de anos após o Big Bang, uma pequena fração da idade atual do Universo, que é de 13,8  bilhões de anos.

Mas também se destacou uma característica inesperada: um comprimento de onda de luz específico e nitidamente brilhante, identificado como a emissão Lyman-α irradiada por átomos de hidrogênio, uma emissão muito mais forte nesta fase inicial do desenvolvimento do Universo. O Universo primitivo estava banhado por uma espessa névoa de hidrogênio neutro. A maior parte desta névoa foi levantada num processo chamado reionização, que se completou cerca de um bilhão de anos após o Big Bang.

Antes e durante a época da reionização, o imenso nevoeiro de hidrogênio neutro que rodeava as galáxias bloqueava qualquer luz ultravioleta energética que estas emitissem, tal como o efeito de filtragem de um vidro colorido. Até que um número suficiente de estrelas se formou e foi capaz de ionizar o gás hidrogênio, nenhuma luz, incluindo a emissão de Lyman-α, poderia escapar destas novas galáxias e chegar à Terra. A confirmação da radiação Lyman-α desta galáxia tem, portanto, grandes implicações para a nossa compreensão do Universo primitivo.

A fonte da radiação Lyman-α desta galáxia ainda não é conhecida, mas pode incluir a primeira luz da primeira geração de estrelas se formando no Universo. A grande bolha de hidrogênio ionizado que rodeia esta galáxia pode ter sido criada por uma população peculiar de estrelas, muito mais massivas, mais quentes e mais luminosas do que as estrelas formadas em épocas posteriores, e possivelmente representativa da primeira geração de estrelas. Outra possibilidade seria um poderoso núcleo galáctico ativo, impulsionado por um dos primeiros buracos negros supermassivo.

A equipe planeja continuar as observações da GS-z13-1, com o objetivo de obter mais informações sobre a natureza desta galáxia e sobre a origem da sua forte radiação Lyman-α.

Um artigo foi publicado na revista Nature.

Fonte: University of Cambridge

Quipu: a maior estrutura do Universo

O recém-descoberto grupo de aglomerados de galáxias Quipu, que tem 13 mil vezes o tamanho da Via Láctea, está sendo considerado a maior estrutura do Universo conhecida até o momento.

© ESA / DSS (superaglomerado Shapley)

Batizada dessa forma em homenagem a um sistema inca de contagem que usa cordões com nós, a estrutura colossal se estende por aproximadamente 1,3 bilhão de anos-luz de diâmetro e tem 200 quatrilhões de massas solares. Com essas medidas, ela supera objetos gigantes que já ocuparam o posto, como o superaglomerado Laniakea. Localizado em uma área entre 425 milhões e 815 milhões de anos-luz da Terra junto com outras estruturas de tamanho parecido, o aglomerado foi encontrado durante um estudo para mapear a distribuição de matéria do Universo em vários comprimentos de onda de luz. 

O trabalho envolveu o uso de aglomerados de galáxias de raios X para identificação e análise de superestruturas. O estudo de grupos de aglomerados de galáxias e superaglomerados como Quipu pode ajudar a entender sobre a evolução das galáxias, melhorar os modelos cosmológicos e a precisão das medições do cosmos.

© Astronomy & Astrophysics (Quipu)

O tamanho impressionante desses objetos desafia a compreensão de como o Universo evoluiu. Além do maior objeto do Universo, a equipe liderada pelo pesquisador do Instituto Max Planck, Hans Bohringer, analisou outras quatro superestruturas na mesma região. Uma delas foi o superaglomerado Shapley, que também já chegou a ser a maior superestrutura descoberta. 

O superaglomerado Hércules, a superestrutura Serpens-Corona Borealis e a superestrutura Sculptor-Pegasus, localizada entre as constelações que servem de base para o seu nome, foram as outras. Juntos, os cinco objetos representam 45% dos aglomerados de galáxias, 30% de galáxias e 25% da matéria no Universo observável, além de 13% do volume do Universo, segundo os astrônomos. 

Quipu e as demais superestruturas estudadas pela equipe devem manter seus tamanhos gigantescos por mais um longo período. Porém, é esperado que elas se partam em várias unidades menores, em algum momento.

Um artigo foi publicado no periódico Astronomy & Astrophysics.

Fonte: Live Science

Perscrutando um buraco negro massivo no Universo primitivo

Os cientistas descobriram um enorme buraco negro no início do Universo que está dormente depois de se ter empanturrado com demasiada matéria.

© Jiarong Gu (buraco negro durante um dos seus curtos períodos de crescimento rápido)

Uma equipe internacional de astrônomos, liderada pela Universidade de Cambridge, utilizou o telescópio espacial James Webb para detectar este buraco negro no início do Universo, apenas 800 milhões de anos após o Big Bang. O buraco negro é enorme, com 400 milhões de vezes a massa do nosso Sol, o que faz dele um dos buracos negros mais massivos descobertos pelo Webb neste momento do desenvolvimento do Universo. 

O buraco negro é tão grande que representa cerca de 40% da massa total da galáxia que o acolhe: em comparação, a maioria dos buracos negros do Universo local tem cerca de 0,1% da massa da galáxia que os hospeda. No entanto, apesar do seu tamanho gigantesco, este buraco negro está acretando o gás de que necessita para crescer a um ritmo muito baixo, cerca de 100 vezes abaixo do seu limite máximo teórico, tornando-o essencialmente dormente. 

Um buraco negro tão massivo tão cedo no Universo, mas que não está crescendo, desafia os modelos existentes de como os buracos negros se desenvolvem. No entanto, os pesquisadores dizem que o cenário mais provável é que os buracos negros passem por curtos períodos de crescimento ultrarrápido, seguidos de longos períodos de dormência. 

Quando os buracos negros estão adormecidos, são muito menos luminosos, o que os torna mais difíceis de detectar, mesmo com telescópios altamente sensíveis como o Webb. Os buracos negros não podem ser observados diretamente, mas são detectados pelo brilho de um disco de acreção em seu redor, que se forma perto da orla do buraco negro. Quando os buracos negros estão crescendo ativamente, o gás no disco de acreção torna-se extremamente quente e começa a brilhar e a irradiar energia na região do ultravioleta.

De acordo com os modelos padrão, os buracos negros formam-se a partir do colapso de estrelas mortas e acumulam matéria até um limite previsto, conhecido como limite de Eddington, em que a pressão da radiação sobre a matéria ultrapassa a atração gravitacional do buraco negro. No entanto, a dimensão deste buraco negro sugere que os modelos padrão podem não explicar adequadamente como é que estes monstros se formam e crescem.

Trabalhando com colegas italianos, os pesquisadores de Cambridge realizaram uma série de simulações em computador para modelar a forma como este buraco negro adormecido poderia ter crescido até atingir uma dimensão tão massiva tão cedo no Universo. Descobriram que o cenário mais provável é que os buracos negros podem exceder o limite de Eddington durante curtos períodos, durante os quais crescem muito rapidamente, seguidos de longos períodos de inatividade.

Como os períodos de dormência são muito mais longos do que os períodos de crescimento ultrarrápido, é nestes períodos que os astrônomos têm mais probabilidades de detectar buracos negros. Devido às suas baixas luminosidades, os buracos negros dormentes são mais difíceis de detectar, mas este buraco negro é provavelmente a ponta de um iceberg muito maior, se os buracos negros no Universo primitivo passarem a maior parte do seu tempo num estado dormente.

Um artigo sobre o assunto foi publicado na revista Nature.

Fonte: University of Cambridge

Os discos de formação planetária no Universo primitivo

O telescópio espacial James Webb acaba de resolver um enigma ao comprovar uma descoberta controversa feita com o telescópio espacial Hubble há mais de 20 anos.

© Webb (NGC 346)

Na imagem, os dez pequenos círculos amarelos sobrepostos indicam as posições das dez estrelas estudadas nessa pesquisa.

Em 2003, o Hubble forneceu evidências da existência de um planeta massivo em torno de uma estrela muito antiga, quase tão antiga quanto o Universo. Estas estrelas possuem apenas pequenas quantidades de elementos mais pesados, que são os blocos de construção dos planetas. Isto implica que alguma formação planetária ocorreu quando o nosso Universo era muito jovem, e esses planetas tiveram tempo para se formarem e crescerem dentro dos seus discos primordiais, ficando até maiores do que Júpiter. Mas como? 

Isto era muito intrigante. Para responder a esta questão, os pesquisadores usaram o Webb para estudar estrelas numa galáxia próxima que, tal como o Universo primitivo, não possui grandes quantidades de elementos pesados. Descobriram que não só algumas estrelas dessa galáxia têm discos de formação planetária, mas que esses discos têm uma vida mais longa do que os observados ao redor de estrelas jovens na Via Láctea.

No Universo primitivo, as estrelas formavam-se principalmente a partir de hidrogênio e hélio, e muito poucos elementos mais pesados como o carbono e o ferro, que surgiram mais tarde através de explosões de supernova. Os modelos atuais preveem que, com tão poucos elementos mais pesados, os discos em torno das estrelas têm um tempo de vida curto, tão curto que os planetas não podem crescer. 

Para testar esta ideia, os cientistas apontaram o Webb para a Pequena Nuvem de Magalhães, uma galáxia anã que é uma das vizinhas mais próximas da Via Láctea. Em particular, examinaram o aglomerado massivo e formador de estrelas NGC 346, que também tem uma relativa escassez de elementos mais pesados. O aglomerado serviu como uma representação vizinha para o estudo de ambientes estelares com condições semelhantes no Universo primitivo e distante. 

As observações Hubble de NGC 346, em meados dos anos 2000, revelaram muitas estrelas com cerca de 20 a 30 milhões de anos que pareciam ter ainda discos de formação planetária à sua volta. Este fato contraria a crença convencional de que tais discos se dissipariam ao fim de 2 ou 3 milhões de anos. Agora, graças à sensibilidade e resolução do Webb, os cientistas têm os primeiros espectros de estrelas em formação, semelhantes ao Sol, e dos seus ambientes imediatos numa galáxia próxima. 

Esta descoberta refuta as previsões teóricas anteriores, segundo as quais, quando há poucos elementos mais pesados no gás em torno do disco, a estrela sopraria esse disco para longe, e muito rapidamente. Assim, a vida do disco seria muito curta, mesmo inferior a um milhão de anos. Mas se um disco não fica ao redor da estrela o tempo suficiente para que os grãos de poeira se colem e formem seixos que se tornam no núcleo de um planeta, como é que os planetas se podem formar?

Os pesquisadores explicaram que podem existir dois mecanismos distintos, ou mesmo uma combinação, para que os discos de formação planetária persistam em ambientes com poucos elementos mais pesados. Em primeiro lugar, para poder soprar o disco para longe, a estrela aplica pressão de radiação. Para que esta pressão seja eficaz, os elementos mais pesados do que o hidrogênio e o hélio teriam de residir no gás. Mas o massivo aglomerado estelar NGC 346 tem apenas cerca de dez por cento dos elementos mais pesados que estão presentes na composição química do nosso Sol. Talvez uma estrela deste aglomerado demore mais tempo a dispersar o seu disco. A segunda possibilidade é que, para uma estrela semelhante ao Sol se formar quando há poucos elementos mais pesados, teria de começar a partir de uma nuvem de gás maior, que produzirá um disco maior. Assim, há mais massa no disco e, por conseguinte, demoraria mais tempo a expulsar o disco, mesmo que a pressão da radiação funcionasse da mesma forma.

Os discos demoram dez vezes mais tempo a desaparecer. Isto tem implicações na forma como um planeta se forma e no tipo de arquitetura de sistema que se pode ter nesses diferentes ambientes.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal.

Fonte: ESA

A matéria escura na formação de buracos negros no início do Universo

A formação dos buracos negros supermassivos, como o que se encontra no centro da nossa Galáxia, a Via Láctea, é muito demorada.

© EHT (imagem polarizada do buraco negro Sagitário A*)

Normalmente, o nascimento de um buraco negro requer que uma estrela gigante com a massa de pelo menos algumas vezes a do Sol esgote o seu combustível nuclear; um processo que pode demorar bilhões de anos, e que o seu núcleo colapse sobre si próprio.

Mesmo assim, o buraco negro resultante está muito longe do buraco negro com 4 milhões de massas solares, Sagitário A*, situado no centro da Via Láctea, ou dos buracos negros supermassivos com bilhões de massas solares encontrados em outras galáxias. Estes buracos negros gigantescos podem formar-se a partir de buracos negros menores, por acreção de gás e estrelas e por fusão com outros buracos negros, o que demora bilhões de anos. 

Por que razão, então, o telescópio espacial James Webb está descobrindo buracos negros supermassivos perto do início dos tempos, antes de se poderem formar? Os astrofísicos da UCLA (University of California Los Angeles) têm uma resposta tão misteriosa como os próprios buracos negros: a matéria escura impediu que o hidrogênio arrefecesse o tempo suficiente para que a gravidade o condensasse em nuvens suficientemente grandes e densas para se transformarem em buracos negros em vez de estrelas. 

Alguns astrofísicos têm postulado que uma grande nuvem de gás pode colapsar para formar diretamente um buraco negro supermassivo, contornando a longa história de combustão estelar, acreção e fusões. Mas há um senão: a gravidade vai, de fato, juntar uma grande nuvem de gás, mas não numa única nuvem. Em vez disso, junta seções de gás em pequenos halos que flutuam perto uns dos outros, mas não formam um buraco negro. A razão é que a nuvem de gás arrefece demasiado depressa. Enquanto o gás estiver quente, a sua pressão pode contrariar a gravidade. No entanto, se o gás arrefecer, a pressão diminui e a gravidade pode triunfar em muitas pequenas regiões, que colapsam em objetos densos antes da gravidade ter a oportunidade de puxar toda a nuvem para um único buraco negro.

A rapidez com que o gás arrefece tem muito a ver com a quantidade de hidrogênio molecular. Os átomos de hidrogênio ligados entre si numa molécula dissipam energia quando encontram um átomo de hidrogênio livre. As moléculas de hidrogênio tornam-se agentes de arrefecimento ao absorverem energia térmica e ao irradiá-la. As nuvens de hidrogênio no início do Universo tinham demasiado hidrogênio molecular e o gás arrefeceu rapidamente, formando pequenos halos em vez de grandes nuvens. 

Apenas uma ínfima parte da matéria do Universo é do tipo que compõe os nossos corpos, o nosso planeta, as estrelas e tudo o mais que podemos observar. A grande maioria da matéria, detectada pelos seus efeitos gravitacionais em objetos estelares e pela curvatura da luz de fontes distantes, é feita de algumas partículas novas. As formas e propriedades da matéria escura são, portanto, um mistério que continua por resolver. Embora não saibamos o que é a matéria escura, os teóricos de partículas há muito que especulam que pode conter partículas instáveis que podem decair em fótons, as partículas de luz. A inclusão desta matéria escura em simulações forneceu a radiação necessária para que o gás permanecesse numa grande nuvem enquanto colapsava num buraco negro.

A matéria escura pode ser feita de partículas que decaem lentamente, ou pode ser feita de mais do que uma espécie de partícula: algumas estáveis e outras que decaem em momentos precoces. Em qualquer dos casos, o produto do decaimento pode ser radiação sob a forma de fótons, que quebram o hidrogênio molecular e evitam que as nuvens de hidrogênio arrefeçam demasiado depressa. Mesmo um decaimento muito ligeiro da matéria escura produziu radiação suficiente para impedir o arrefecimento, formando grandes nuvens e, eventualmente, buracos negros supermassivos.

Um artigo foi publicado no periódico Physical Review Letters. 

Fonte: University of California

O modelo do Universo está correto?

Sabemos muitas coisas sobre o nosso Universo, mas os astrônomos continuam debatendo a velocidade exata a que se expande.

© Webb (NGC 3972)

Realmente, ao longo das últimas duas décadas, duas das principais formas de medir este valor, conhecido como a "constante de Hubble", forneceram respostas diferentes, levando alguns a pensar que faltava alguma coisa no nosso modelo de funcionamento do Universo. Mas novas medições efetuadas pelo potente telescópio espacial James Webb parecem sugerir que, afinal, pode não haver um conflito, também conhecido por "tensão de Hubble". 

Os astrônomos mediram a distância de dez galáxias próximas e determinaram um novo valor para o ritmo a que o Universo está se expandindo atualmente. A medição, 70 quilômetros por segundo por megaparsec, sobrepõe-se ao outro grande método para a constante de Hubble. "Com base nestes novos dados do JWST e usando três métodos independentes, não encontramos fortes indícios de uma tensão de Hubble. Pelo contrário, parece que o nosso modelo cosmológico padrão para explicar a evolução do Universo está se mantendo", disse a cosmóloga Wendy Freedman, da Universidade de Chicago. 

Sabemos que o Universo está se expandindo ao longo do tempo desde 1929, quando Edwin Hubble fez medições de estrelas que indicavam que as galáxias mais distantes estavam se afastando da Terra mais depressa do que as galáxias mais próximas. Mas tem sido surpreendentemente difícil determinar o valor exato desta velocidade a que o Universo está se expandindo atualmente. 

A constante de Hubble, é essencial para compreender a história do Universo. É uma parte fundamental do nosso modelo de como o Universo está evoluindo ao longo do tempo. Dada a importância e também a dificuldade em efetuar estas medições, os cientistas testam-nas com diferentes métodos para se certificarem de que são tão exatas quanto possível. Uma das principais abordagens consiste em estudar a luz remanescente do Big Bang, conhecida como radiação cósmica de fundo em micro-ondas. A melhor estimativa atual da constante de Hubble com este método, que é muito preciso, é de 67,4 quilômetros por segundo por megaparsec. 

O segundo método principal consiste em medir diretamente a expansão das galáxias na nossa vizinhança cósmica local, utilizando estrelas cujo brilho é conhecido. Tal como as luzes dos carros parecem mais fracas quando estão longe, a distâncias cada vez maiores, as estrelas parecem cada vez mais fracas. A medição das distâncias e da velocidade a que as galáxias se afastam de nós indica-nos então a velocidade a que o Universo está se expandindo. 

No passado, as medições com este método forneceram um valor mais elevado para a constante de Hubble, perto de 74 quilômetros por segundo por megaparsec. Esta diferença é suficientemente grande para que alguns cientistas especulem que algo significativo pode estar faltando no modelo padrão da evolução do Universo. Por exemplo, uma vez que um método olha para os primórdios do Universo e o outro olha para a época atual, talvez algo grande tenha mudado no Universo ao longo do tempo. Este aparente desfasamento ficou conhecido como a "tensão de Hubble". 

O telescópio espacial James Webb oferece à humanidade uma nova e poderosa ferramenta para observar as profundezas do espaço. Lançado em 2021, o sucessor do telescópio espacial Hubble tem captado imagens de uma nitidez impressionante, revelado novos aspectos de mundos longínquos e recolhido dados sem precedentes, abrindo novas janelas para o Universo.

Para verificar os resultados, os astrônomos utilizaram três métodos independentes. O primeiro utiliza um tipo de estrela conhecido como estrela variável Cefeida, que varia previsivelmente o seu brilho ao longo do tempo. O segundo método é conhecido como "Ponta do Ramo das Gigantes Vermelhas" e utiliza o fato das estrelas de baixa massa atingirem um limite superior fixo para o seu brilho. O terceiro, e mais recente, emprega um tipo de estrela chamado estrelas de carbono, que têm cores e brilhos consistentes no espectro de luz do infravermelho próximo. 

A nova análise é a primeira a usar os três métodos simultaneamente, dentro das mesmas galáxias. Em todos os casos, os valores estavam dentro da margem de erro do valor dado pelo método da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, ou seja, 67,4 quilômetros por segundo por megaparsec. 

As futuras observações com o telescópio espacial James Webb serão fundamentais para confirmar ou refutar a tensão de Hubble e avaliar as implicações para a cosmologia.

Um artigo foi submetido no periódico Astrophysical Journal.

Fonte: University of Chicago