O complexo puzzle dos objetos conhecidos como "Pequenos Pontos Vermelhos" (ou LRDs, sigla inglesa para "Little Red Dots") tem-se tornado gradualmente mais completo desde a sua descoberta inicial pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA, em 2022. Agora, o espetro de um LRD em particular está a ajudar a ligar muitas das peças.

Uma equipa de astrónomos liderada por Vasily Kokorev, da Universidade do Texas em Austin, identificou o feliz ponto em questão: GLIMPSE-17775. Ao analisar cuidadosamente o espetro do ponto captado pelo Webb - o espetro mais profundo até à data de um Pequeno Ponto Vermelho -, a equipa de investigação identificou múltiplas linhas de evidência, todas elas a apoiar a interpretação de que GLIMPSE-17775 é um buraco negro supermassivo envolto num denso casulo de gás parcialmente ionizado. O artigo científico que descreve os resultados foi publicado na revista The Astrophysical Journal.

"Penso que parte da comunidade científica está a convergir para uma imagem singular - que os Pequenos Pontos Vermelhos podem ser explicados por modelos de estrelas-buracos negros. Mas nenhum dos Pequenos Pontos Vermelhos anteriores tinha todas as evidências reunidas no mesmo lugar", afirmou Kokorev, autor principal do estudo. "Com GLIMPSE-17775, podemos testar estes modelos devido à profundidade e ao carácter surpreendente do espetro desta fonte".

Juntando as peças do puzzle

Pouco depois de o Webb ter iniciado as suas operações científicas, descobriu um novo e misterioso tipo de objeto no Universo primitivo – objetos vermelhos abundantes que surgiram cerca de 600 milhões de anos após o Big Bang. Os cientistas têm explorado várias explicações para estes Pequenos Pontos Vermelhos, incluindo o cenário de estrela-buraco negro.

Um conjunto de circunstâncias fortuitas deu origem a este espetro elaborado de um LRD. O Pequeno Ponto Vermelho que viria a ser conhecido como GLIMPSE-17775 foi, felizmente, incluído nos esforços de imagem e espetroscopia do Webb para um projeto que procurava estrelas da População III e galáxias ténues no enxame de galáxias Abell S1063. Este LRD está mais distante do que o enxame de galáxias e é ampliado por uma lente gravitacional (GLIMPSE-17775 tem um desvio para o vermelho de 3,5, o que significa que existia cerca de 1,8 mil milhões de anos após o Big Bang).

"A fonte foi descoberta através do programa GLIMPSE, que foi concebido para revelar as fontes mais ténues do Universo primitivo", afirmou Hakim Atek, do Institut d’Astrophysique de Paris, em França, coautor do estudo e investigador principal do programa GLIMPSE. "Além disso, a ampliação por lente gravitacional também permite uma caracterização mais detalhada de objetos mais brilhantes, incluindo LRDs como GLIMPSE-17775".

Embora o Webb tenha fornecido um espectro de 30 horas do Pequeno Ponto Vermelho, o efeito de lente gravitacional tornou-o equivalente a 80 horas de tempo de observação. Esta combinação da sensibilidade infravermelha do Webb com a "lupa" natural ampliou a quantidade de detalhes que foi possível obter de GLIMPSE-17775. O resultado foram mais de 40 linhas espetrais desta pequena fonte vermelha, o mais detalhado espetro de um LRD até à data.

"Quando vimos o espetro pela primeira vez, foi como ter todas as peças de um puzzle espalhadas pelo chão", disse Kokorev. "Apanhámos cada peça do puzzle, medimos as linhas e começámos a combinar as diferentes peças num mosaico. Talvez algumas peças não parecessem nada à primeira vista, mas depois algumas delas encaixaram-se e percebemos que havia algo ali".

Os dados espetroscópicos recolhidos pelo Webb contêm múltiplas linhas de evidência que apoiam a interpretação de que o Pequeno Ponto Vermelho GLIMPSE-17775 é uma estrela-buraco negro: um buraco negro em rápida acreção, ou em crescimento, envolto num denso casulo de gás, que está a reprocessar a luz emitida perto do buraco negro e a produzir as características observadas no espectro.

Os dados espetroscópicos do Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA relativos ao Pequeno Ponto Vermelho GLIMPSE-17775 contêm mais de 40 linhas espetrais. O espetro contém vários indicadores independentes que corroboram a teoria de que este LRD é uma estrela-buraco negro: um buraco negro em rápida acreção, ou em crescimento, envolto num casulo de gás quente e denso. Este ambiente em camadas, semelhante a uma concha, está a reprocessar a luz emitida nas proximidades do buraco negro e a produzir as características observadas no espectro. Por exemplo, os cientistas descobriram que muitas das linhas espetrais, tais como as do hidrogénio, oxigénio e hélio, não correspondem a um modelo simples de nuvem de gás em rotação. O modelo que melhor se ajusta inclui um efeito de dilatação conhecido como dispersão de eletrões, um sinal revelador de que um casulo de gás denso e em camadas envolve a fonte. Crédito: NASA, ESA, CSA, V. Kokorev (Universidade do Texas em Austin), A. Pagan (STScI)

Linhas de evidência

Entre as mais de 40 linhas que a equipa detetou no espetro de GLIMPSE-17775, encontravam-se vários indicadores independentes que se coadunam com o cenário de estrela-buraco negro. Por exemplo, a equipa descobriu que muitas das linhas espetrais (como as do hidrogénio, oxigénio e hélio) não se enquadram num modelo simples de uma nuvem de gás em rotação. Em vez disso, o modelo que melhor se ajusta inclui um efeito de dilatação conhecido como dispersão de eletrões: um sinal revelador de que um casulo de gás denso e em camadas envolve esta fonte.

A intensidade e os rácios entre certas linhas, mais notavelmente as 16 linhas de ferro que compõem o que a equipa apelidou de "floresta de ferro" e certas linhas de oxigénio, requerem uma fonte altamente energética para as produzir, como um buraco negro em rápida acreção. Além disso, os astrónomos observaram a fluorescência e a absorção de hélio no espetro, as quais, individualmente, sugerem que existe um meio denso a envolver uma fonte poderosa.

O cenário de estrela-buraco negro não só se adequa a GLIMPSE-17775, como também explica por que razão a maioria dos LRDs é fraca em raios X, uma vez que qualquer emissão desse tipo é provavelmente absorvida pelo denso invólucro de gás.

Um elemento que falta no puzzle de GLIMPSE-17775 é a parte do espetro que revelaria o que se conhece como "descontinuidade de Balmer", ou seja, uma forte queda na luz emitida que constitui uma assinatura característica dos Pequenos Pontos Vermelhos. Para construir uma compreensão mais abrangente deste LRD, a equipa incorporou dados complementares de dois programas de observação que utilizaram o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA: os programas Frontier Fields e BUFFALO (Beyond Ultra-deep Frontier Fields And Legacy Observations).

Os dados do Webb e do Hubble, em conjunto, ajudam a explicar por que razão a descontinuidade de Balmer é mais fraca do que a normalmente encontrada noutros Pequenos Pontos Vermelhos: uma galáxia hospedeira gigante rodeia GLIMPSE-17775. Embora a galáxia hospedeira de um LRD não seja algo que tenha sido habitualmente observado a tal escala anteriormente, não é inconsistente com o modelo do casulo de gás denso. O modelo de estrela-buraco negro dos Pequenos Pontos Vermelhos atribui o excesso de luz azul às estrelas da galáxia hospedeira.

Quando o Webb descobriu pela primeira vez os LRDs, alguns investigadores pensaram que estes objetos tinham "desmoronado a cosmologia", sem saber como é que as galáxias poderiam ter crescido tanto e tão rapidamente no Universo primitivo para explicar toda esta luz proveniente das suas estrelas. No entanto, a equipa pensa que a peça do puzzle GLIMPSE-17775 encaixa perfeitamente no quadro existente da história evolutiva do Universo, porque as massas dos buracos negros não precisam de ser tão elevadas para explicar as linhas largas de emissão.

"Tudo se encaixa, nada está partido, e acho que isso torna o puzzle que é o nosso Universo ainda melhor", disse Kokorev. "Olhando para o futuro, estou ansioso por aprofundar e aprender mais sobre o que está a alimentar os motores centrais dos Pequenos Pontos Vermelhos. Embora pensemos que seja um buraco negro, há outras teorias interessantes a serem propostas, o que é empolgante. Talvez daqui a um ou dois anos tenhamos a resposta definitiva acerca do que alimenta estas fontes".

// ESA/Webb (comunicado de imprensa)
// NASA (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal)

Quer saber mais?

Pequenos Pontos Vermelhos (ou LRDs, “Little Red Dots”):
Wikipedia

Estrela-buraco negro:
Wikipedia

Buraco negro supermassivo:
Wikipedia

Abell S1063:
Wikipedia

Lentes gravitacionais:
Wikipedia

Dispersão de eletrões:
Wikipedia

Descontinuidade de Balmer:
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