Investigadores descobriram o buraco negro supermassivo ativo mais distante até à data com o Telescópio Espacial James Webb. A galáxia, CEERS 1019, existiu pouco mais de 570 milhões de anos após o Big Bang e o seu buraco negro é menos massivo do que qualquer outro já identificado no Universo primitivo. Não só isso, como também "sacudiram" facilmente mais dois buracos negros que também são para o mais pequeno e que existiram 1 e 1,1 mil milhões de anos após o Big Bang. O JWST também identificou onze galáxias que existiram quando o Universo tinha entre 470 e 675 milhões de anos. As evidências foram fornecidas pelo levantamento CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) do Webb, liderado por Steven Finkelstein da Universidade do Texas em Austin. O programa combina as imagens altamente detalhadas no infravermelho próximo e médio do Webb com dados conhecidos como espectros, todos utilizados para fazer estas descobertas.

CEERS 1019 é notável não só pelo facto de ter existido há tanto tempo, mas também pela massa relativamente pequena do seu buraco negro. Este buraco negro tem cerca de 9 milhões de massas solares, muito menos do que outros buracos negros que também existiram no Universo primitivo e que foram detetados por outros telescópios. Esses gigantes contêm normalmente mais de mil milhões de vezes a massa do Sol - e são mais fáceis de detetar porque são muito mais brilhantes (estão ativamente a "comer" matéria, que se ilumina à medida que rodopia em direção ao buraco negro). O buraco negro na galáxia CEERS 1019 é mais parecido com o buraco negro no centro da nossa Galáxia, a Via Láctea, que tem 4,6 milhões de vezes a massa do Sol. Este buraco negro também não é tão brilhante como os gigantes mais massivos anteriormente detetados. Embora mais pequeno, este buraco negro existiu há tanto tempo que ainda é difícil explicar como se formou tão pouco depois do início do Universo. Os investigadores há muito que sabem que os buracos negros mais pequenos devem ter existido mais cedo no Universo, mas só quando o Webb começou a operar é que foram capazes de fazer deteções definitivas (CEERS 1019 poderá deter este recorde apenas durante algumas semanas - certas descobertas acerca de outros buracos negros mais distantes, identificados pelo Webb, estão atualmente a ser cuidadosamente revistas pela comunidade astronómica).

Esta representação de CEERS 1019, observada pelos investigadores do Instituto de Tecnologia de Rochester Rebecca Larson e Jeyhan Kartaltepe, mostra que o buraco negro existiu 570 milhões de anos após o Big Bang. Este é o buraco negro supermassivo ativo mais distante alguma vez encontrado. Crédito: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI); ciência - Steve Finkelstein (UT Austin), Rebecca Larson (UT Austin), Pablo Arrabal Haro (NOIRLab da NSF)

Os dados do Webb estão praticamente a transbordar de informação precisa, o que torna estas confirmações tão fáceis de extrair dos dados. "Olhar para este objeto distante com este telescópio é muito parecido com olhar para os dados de buracos negros que existem em galáxias próximas da nossa", disse Rebecca Larson da Universidade do Texas em Austin, que liderou esta descoberta. "Há tantas linhas espectrais para analisar!" A equipa não só conseguiu identificar quais as emissões no espetro que provêm do buraco negro e quais as que provêm da galáxia que o abriga, como também conseguiu identificar a quantidade de gás que o buraco negro está a ingerir e determinar o ritmo de formação estelar da galáxia.

A equipa descobriu que esta galáxia está a ingerir tanto gás quanto possível ao mesmo tempo que produz novas estrelas. A equipa debruçou-se sobre as imagens para explorar o porquê. Visualmente, CEERS 1019 aparece como três aglomerados brilhantes e não como um único disco circular. "Não estamos habituados a ver tanta estrutura em imagens a estas distâncias", disse Jeyhan Kartaltepe, membro da equipa do CEERS, do Instituto de Tecnologia de Rochester, em Nova Iorque. "Uma fusão de galáxias pode ser parcialmente responsável por alimentar a atividade do buraco negro desta galáxia, o que também pode levar a um aumento da formação estelar."

Mais buracos negros e galáxias extremamente distantes entram em cena

O levantamento CEERS é extenso e há muito mais para explorar. O membro da equipa Dale Kocevski, do Colby College em Waterville, no estado norte-americano de Maine, e a equipa rapidamente detetaram outro par de pequenos buracos negros nos dados. O primeiro, na galáxia CEERS 2782, foi o mais fácil de identificar. Não há qualquer poeira a obscurecer a sua visão pelo Webb, pelo que os investigadores puderam determinar imediatamente quando é que o seu buraco negro existiu na história do Universo - apenas 1,1 mil milhões de anos após o Big Bang. O segundo buraco negro, na galáxia CEERS 746, existiu um pouco antes, mil milhões de anos após o Big Bang. O seu brilhante disco de acreção, um anel constituído por gás e poeira que rodeia o seu buraco negro supermassivo, ainda está parcialmente coberto de poeira. "O buraco negro central é visível, mas a presença de poeira sugere que pode estar dentro de uma galáxia que também está a formar estrelas furiosamente", explicou Kocevski.

Infográfico que contém imagens de duas das galáxias mais antigas com buracos negros supermassivos ativos, CEERS 2782 e CEERS 746, vistas apenas 1,1 mil milhões de anos e mil milhões de anos após o Big Bang, respetivamente. À direita das duas imagens estão os espectros dos objetos, obtidos pelo instrumento NIRSpec do JWST. A secção superior do infográfico mostra a posição das duas galáxias no panorama obtido pelo levantamento CEERS. Crédito: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI); ciência - Steve Finkelstein (UT Austin), Dale Kocevski (Colby College), Pablo Arrabal Haro (NOIRLab da NSF)

Tal como o do CEERS 1019, estes dois buracos negros são também "pesos leves" - pelo menos quando comparados com os buracos negros supermassivos anteriormente conhecidos a estas distâncias. Têm apenas cerca de 10 milhões de vezes a massa do Sol. "Os investigadores há muito que sabem que devem existir buracos negros de menor massa no Universo primitivo. O Webb é o primeiro observatório que os consegue captar tão claramente", acrescentou Kocevski. "Nós agora pensamos que os buracos negros de menor massa podem estar por todo o lado, à espera de serem descobertos." Antes do Webb, os três buracos negros eram demasiado ténues para serem detetados. "Com outros telescópios, estes alvos parecem galáxias normais com formação estelar e não buracos negros supermassivos ativos", acrescentou Finkelstein.

Os espectros sensíveis do Webb também permitiram a estes investigadores medir com precisão as distâncias e, por conseguinte, as idades das galáxias no início do Universo. Os membros da equipa Pablo Arrabal Haro do NOIRLab da NSF e Seiji Fujimoto da Universidade do Texas em Austin identificaram 11 galáxias que existiam 470 a 675 milhões de anos após o Big Bang. Para além de estarem extremamente distantes, o facto de terem sido detetadas tantas galáxias brilhantes é notável. Os investigadores teorizaram que o Webb detetaria menos galáxias do que as que estão a ser encontradas a estas distâncias. "Estou impressionado com a quantidade de espectros altamente detalhados de galáxias remotas que o Webb transmitiu", disse Arrabal Haro. "Estes dados são absolutamente incríveis".

Este gráfico mostra as deteções dos buracos negros supermassivos ativos mais distantes atualmente conhecidos no Universo. Foram identificados por uma série de telescópios, tanto no espaço como no solo. Três foram recentemente identificados pelo levantamento CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) do Telescópio Espacial James Webb. Crédito: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)

Estas galáxias estão a formar estrelas rapidamente, mas ainda não são tão enriquecidas quimicamente como as galáxias que estão muito mais perto de casa. "O Webb foi o primeiro a detetar algumas destas galáxias", explicou Fujimoto. "Este conjunto, juntamente com outras galáxias distantes que poderemos identificar no futuro, poderá mudar a nossa compreensão da formação estelar e da evolução das galáxias ao longo da história cósmica", acrescentou.

Estas são apenas as primeiras descobertas inovadoras do levantamento CEERS. "Até agora, a investigação sobre objetos no início do Universo era em grande parte teórica", disse Finkelstein. "Com o Webb, não só podemos ver buracos negros e galáxias a distâncias extremas, como podemos agora começar a medi-los com precisão. É esse o enorme poder deste telescópio". No futuro, é possível que os dados do Webb possam também ser usados para explicar como se formaram os primeiros buracos negros, revendo os modelos dos investigadores de como os buracos negros cresceram e evoluíram nas primeiras centenas de milhões de anos da história do Universo.

// NASA (comunicado de imprensa)
// STScI (comunicado de imprensa)
// Universidade do Texas em Austin (comunicado de imprensa)
// Instituto de Tecnologia de Rochester (comunicado de imprensa)
// Colby College (comunicado de imprensa)
// Artigo científico #1 (arXiv.org)
// Artigo científico #2 (arXiv.org)
// Artigo científico #3 (arXiv.org)
// Artigo científico #4 (arXiv.org)

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Buraco negro supermassivo:
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