Usando dados do JWST (James Webb Space Telescope) e do Observatório de raios-X Chandra da NASA, uma equipa de astrónomos do NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory) da NSF (National Science Foundation), nos EUA, descobriu um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia, apenas 1,5 mil milhões de anos após o Big Bang, que está a consumir matéria a um ritmo fenomenal - mais de 40 vezes o limite teórico. Embora de curta duração, o "festim" deste buraco negro pode ajudar os astrónomos a explicar como é que os buracos negros supermassivos cresceram tão rapidamente no Universo primitivo.

Os buracos negros supermassivos encontram-se no centro da maioria das galáxias e os telescópios modernos continuam a observá-los em alturas surpreendentemente precoces da evolução do Universo. É difícil compreender como é que estes buracos negros foram capazes de crescer tão depressa. Mas com a descoberta de um buraco negro supermassivo de baixa massa que se alimenta de matéria a uma velocidade extrema, observado apenas 1,5 mil milhões de anos após o Big Bang, os astrónomos têm agora novos e valiosos conhecimentos sobre os mecanismos dos buracos negros de crescimento rápido no Universo primitivo.

LID-568 foi descoberto por uma equipa interinstitucional de astrónomos liderada por Hyewon Suh, do Observatório Internacional Gemini/NOIRLab da NSF. A equipa utilizou o JWST para observar uma amostra de galáxias do Observatório de raios-X Chandra, no âmbito do levantamento COSMOS. Esta população de galáxias é muito brilhante na parte de raios-X do espetro, mas é invisível no ótico e no infravermelho próximo. A sensibilidade única do JWST ao infravermelho permite-lhe detetar estas fracas emissões homólogas.

LID-568 destacou-se na amostra devido à sua intensa emissão de raios X, mas a sua posição exata não podia ser determinada apenas a partir das observações de raios X, o que suscitava preocupações quanto à correta centragem do alvo no campo de visão do Webb. Assim, em vez de usar a espetroscopia tradicional, os cientistas de apoio à instrumentação do JWST sugeriram que a equipa de Suh usasse o espetrógrafo de campo integral do instrumento NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph). Este instrumento pode obter um espetro para cada pixel no seu campo de visão, em vez de estar limitado a um campo estreito.

"Devido à sua natureza ténue, a deteção de LID-568 seria impossível sem o JWST. A utilização do espetrógrafo de campo integral foi inovadora e necessária para obter a nossa observação", afirma Emanuele Farina, astrónomo do Observatório Internacional Gemini/NOIRLab da NSF e coautor do artigo científico publicado na revista Nature Astronomy.

Esta ilustração artística mostra um buraco negro que se alimenta rapidamente e que está a emitir poderosos fluxos de gás. Usando dados do Webb e do Observatório de raios X Chandra da NASA, uma equipa de astrónomos descobriu este buraco negro supermassivo de baixa massa no centro de uma galáxia apenas 1,5 mil milhões de anos após o Big Bang. Está a acretar matéria a um ritmo fenomenal - mais de 40 vezes o limite teórico. Embora de curta duração, o "festim" deste buraco negro pode ajudar os astrónomos a explicar como é que os buracos negros supermassivos cresceram tão rapidamente no Universo primitivo. Crédito: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/M. Zamani

O NIRSpec do JWST permitiu à equipa obter uma visão completa do seu alvo e da região circundante, levando à descoberta inesperada de poderosos fluxos de gás em torno do buraco negro central. A velocidade e a dimensão destes fluxos levaram a equipa a inferir que uma fração substancial do crescimento massivo de LID-568 pode ter ocorrido num único episódio de acreção rápida. "Este resultado inesperado adicionou uma nova dimensão à nossa compreensão do sistema e abriu percursos interessantes para a investigação", diz Suh.

Numa descoberta espantosa, Suh e a sua equipa descobriram que LID-568 parece estar a alimentar-se de matéria a um ritmo 40 vezes superior ao seu limite de Eddington. Este limite está relacionado com a luminosidade máxima que um buraco negro pode atingir, bem como com a rapidez com que pode absorver matéria, de modo a que a sua força gravitacional interna e a pressão externa gerada pelo calor da matéria comprimida e em queda permaneçam em equilíbrio. Quando a luminosidade de LID-568 foi calculada como sendo muito superior à teoricamente possível, a equipa soube que tinha algo de notável nos seus dados.

"Este buraco negro está a fazer um banquete", diz a astrónoma e coautora do Observatório Internacional Gemini/NOIRLab da NSF, Julia Scharwächter. "Este caso extremo mostra que um mecanismo de alimentação rápida acima do limite de Eddington é uma das explicações possíveis para o facto de vermos estes buracos negros muito massivos tão cedo no Universo".

Estes resultados fornecem novos conhecimentos sobre a formação de buracos negros supermassivos a partir de "sementes" de buracos negros mais pequenos, que as teorias atuais sugerem que resultam ou da morte das primeiras estrelas do Universo (sementes leves) ou do colapso direto de nuvens de gás (sementes pesadas). Até agora, estas teorias careciam de confirmação observacional. "A descoberta de um buraco negro super-Eddington em acreção sugere que uma parte significativa do crescimento de massa pode ocorrer durante um único episódio de alimentação rápida, independentemente do buraco negro ter tido origem numa semente leve ou pesada", diz Suh.

A descoberta de LID-568 mostra também que é possível que um buraco negro ultrapasse o seu limite de Eddington e fornece a primeira oportunidade para os astrónomos estudarem como isto acontece. É possível que os poderosos fluxos observados no buraco negro LID-568 possam estar a atuar como uma válvula de escape para o excesso de energia gerado pela acreção extrema, evitando que o sistema se torne demasiado instável. Para investigar melhor os mecanismos em jogo, a equipa está a planear observações de acompanhamento com o Webb.

// NOIRLab (comunicado de imprensa)
// Chandra/Harvard (comunicado de imprensa)
// ICE-CSIC (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature Astronomy)
// Artigo científico (arXiv.org)

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