Recorrendo ao poder de imagem e espetroscopia sem precedentes do Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA, os investigadores mapearam o movimento e a composição do gás que orbita um buraco negro no centro de Abell 2744-QSO1, uma pequena galáxia situada a mais de 13 mil milhões de anos-luz de distância. 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 milhares de milhões de vezes a massa do Sol, milhares dos quais foram agora detetados no Universo primitivo, puderam ter crescido tão rapidamente a partir de sementes tão pequenas.

Agora, investigadores que utilizam o Webb detetaram 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.

"Esta é uma descoberta notável", afirmou Roberto Maiolino, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, coautor dos estudos publicados na revista Nature e na Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. "Trata-se de uma mudança de paradigma, uma revisão total dos cenários clássicos sobre a forma como os buracos negros se formam e crescem".

Pequeno Ponto Vermelho QSO1

A conclusão da equipa 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 1300 anos-luz de diâmetro e a sua luz tenha viajado por mais de 13 mil milhões de anos, é mais fácil de estudar do que a maioria dos outros Pequenos Pontos Vermelhos porque sofre o efeito de lente gravitacional do enxame de galáxias Abell 2744 (Enxame 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 hidrogénio e hélio a orbitar 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.

"Até agora, todas as medições da massa dos buracos negros no Universo primitivo tinham sido indiretas, baseadas em suposições derivadas do que sabemos sobre eles no Universo local. Não sabíamos se essas suposições se aplicavam realmente ao Universo distante", afirmou o coautor Francesco D'Eugenio, também da Universidade de Cambridge.

Imagem detalhada captada pelo NIRCam do Webb que mostra o "Pequeno Ponto Vermelho" Abell 2744-QSO1, que sofre efeito de lente por Abell 2744, um enorme enxame de galáxias também conhecido como "Enxame de Pandora". À direita, encontra-se um mapa que mostra a velocidade a que o gás se move em direção ao telescópio ou se afasta dele (velocidade de rotação) em diferentes partes de QSO1. O mapa foi elaborado com dados recolhidos utilizando a IFU do NIRSpec, uma combinação de câmara e espetrógrafo. A ferramenta IFU capta uma imagem juntamente com 900 espetros de uma área quadrada do céu com 3 segundos de arco por 3 segundos de arco, criando mapas que mostram diferenças de brilho em milhares de comprimentos de onda entre 0,6 micrómetros e 5,3 micrómetros de luz ao longo do objeto. A velocidade do gás é calculada com base no desvio Doppler: as cores deslocam-se ligeiramente para comprimentos de onda mais curtos (mais azuis) onde o material se move na nossa direção, e para comprimentos de onda mais longos (mais vermelhos) onde se afasta. Os dados do Webb mostram que o gás brilhante tem rotação kepleriana: orbita um ponto central da mesma forma que os planetas orbitam uma estrela. Isto significa que a maior parte da massa de QSO1 deve residir num único ponto no centro, ou seja, um buraco negro. Como a velocidade do gás em órbita segue leis de gravidade muito simples, os dados podem então ser usados para calcular a massa do buraco negro: parece ser de 50 milhões de massas solares, ou 50 milhões de vezes a massa do nosso Sol. Isto corresponde a cerca de dois terços da massa total de QSO1. Crédito: NASA, ESA, CSA, L. Furtak (Universidade Ben-Gurion), R. Maiolino (Cambridge), F. D'Eugenio (Cambridge), I. Juodžbalis (Cambridge), H. Übler (MPE), C. Marconcini (Universidade de Florença); processamento da imagem - A. Pagan

Mapeando a composição e velocidade do gás

A equipa reconheceu que, se o buraco negro de QSO1 for tão massivo quanto parece, deveriam ser capazes de utilizar a ferramenta IFU (Integral Field Unit) do NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) do Webb para rastrear os efeitos da sua gravidade no gás que gira à sua volta, enquanto mapeavam a distribuição de vários elementos no gás.

O estudante de Cambridge, Ignas Juodžbalis, e Cosimo Marconcini, da Universidade de Florença, em Itália, autores principais de um dos estudos, utilizaram as observações da IFU para mapear os movimentos do gás hidrogénio que rodeia o buraco negro. 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-nos que a maior parte da massa de QSO1 está concentrada no buraco negro no centro", afirmou Ignas. "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, a equipa conseguiu utilizar as medições da velocidade do gás para calcular diretamente a massa do buraco negro, um feito que anteriormente não tinha sido possível. Descobriram 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 hidrogénio e hélio, com muito poucos elementos mais pesados, como o oxigénio, 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.

"Este é um resultado fenomenal", afirmou Cosimo. "Trata-se da primeira medição direta da massa de um buraco negro nos primeiros mil milhões de anos após o Big Bang, e é consistente com as medições anteriores". A equipa 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.

Origens dos buracos negros supermassivos

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 mais pequenos. "Parece que encontrámos um buraco negro que não tem uma galáxia hospedeira substancial e que é anterior aos processos estelares", afirmou Ignas. "Isto é muito emocionante porque constitui uma evidência da existência de buracos negros primordiais ou de buracos negros de colapso direto, que foram teorizados, mas não confirmados".

Quer o buraco negro de QSO1 tenha evoluído a partir de uma "semente pesada" que se formou no primeiro segundo do Big Bang ou um pouco mais tarde a partir do colapso de uma nuvem gigante de gás, é quase certo que nasceu grande e pode estar nas fases iniciais da formação de uma galáxia à sua volta.

A equipa considera que os Pequenos Pontos Vermelhos como QSO1 não devem ter sido raros no Universo primitivo e está a analisar objetos semelhantes para determinar se os buracos negros supermassivos são, de facto, anteriores às galáxias onde se encontram atualmente.

// ESA (comunicado de imprensa)
// ESA/Webb (comunicado de imprensa)
// NASA (comunicado de imprensa)
// Universidade de Cambridge (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature)
// Artigo científico (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)

Quer saber mais?

Pequenos pontos vermelhos (ou LRDs, “Little Red Dots”):
Wikipedia

Buraco negro supermassivo:
Wikipedia

Enxame de Pandora (Abell 2744):
Wikipedia

Lentes gravitacionais:
Wikipedia

Movimento kepleriano:
Wikipedia

JWST (Telescópio Espacial James Webb):
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