Uma equipa internacional de astrónomos liderada pelo Instituto Max Planck de Física Extraterrestre identificou três buracos negros supermassivos em acreção ativa na galáxia J0148-4214. Trata-se de buracos negros para os quais a matéria está a cair a partir de um disco de acreção que os rodeia. A galáxia está localizada a mais de 12,5 mil milhões de anos-luz da Terra. A esta distância, a expansão do próprio espaço torna-se evidente. A galáxia parece, portanto, estar a afastar-se de nós, fazendo com que a luz recebida da galáxia se desloque para comprimentos de onda mais longos, resultando no chamado desvio para o vermelho de z=5,02. Utilizando esse desvio para o vermelho, os investigadores calcularam a enorme distância da galáxia. Está tão longe que a sua luz viajou durante 12,5 mil milhões de anos. Estamos, portanto, a ver a galáxia tal como era apenas cerca de 1,2 mil milhões de anos após o Big Bang.

"Esta é a primeira evidência da existência de três buracos negros ativos numa única galáxia no Universo distante", afirma Hannah Übler, líder do grupo de investigação no Instituto Max Planck de Física Extraterrestre e autora principal do estudo. Dois deles estão localizados no centro galáctico e estão separados por apenas 620 anos-luz em projeção. Um terceiro buraco negro está localizado na região exterior da galáxia, a uma distância de aproximadamente 5500 anos-luz do centro. "Isto sugere que os processos no Universo primitivo foram eficazes na aproximação de buracos negros massivos, preparando o terreno para as fusões de buracos negros massivos que esperamos detetar com futuros observatórios de ondas gravitacionais", afirma Übler. Isto deve-se ao facto de as teorias da evolução das galáxias - baseadas em observações - sugerirem que, no início da história do Universo, as galáxias aproximaram-se muito umas das outras e fundiram-se. Nesse processo, também os buracos negros nos seus centros se fundiram, dando origem a buracos negros com massas ainda maiores nos centros das galáxias resultantes da fusão.

A emissão de hidrogénio como indicador

Os investigadores identificaram os buracos negros através das suas "impressões digitais" espetrais: os sinais característicos dos átomos de hidrogénio que se movem a alta velocidade no potencial gravitacional dos buracos negros. Na região central, o espetro apresenta uma estrutura complexa que se explica melhor pela presença de dois buracos negros muito próximos um do outro. Para distinguir as duas fontes centrais, a equipa aplicou a espetro-astrometria, uma técnica que mede com precisão os deslocamentos espaciais na emissão de linhas em toda a galáxia. Isto permitiu determinar as posições dos buracos negros, apesar de estes não poderem ser resolvidos espacialmente como fontes pontuais separadas. Foi detetado um terceiro buraco negro na região exterior.

Massas e crescimento

Mapa da galáxia distante J0148-4214 em hidrogénio ionizado (Hα). As localizações dos três buracos negros massivos estão indicadas por círculos pretos (não à escala). O buracos negro mais massivo e o menos massivo estão localizados no centro da galáxia; um terceiro buraco negro está localizado na periferia da galáxia. Crédito: Hannah Übler

A análise revela massas de buracos negros de aproximadamente 80 milhões, 0,6 milhões e 2 milhões de sóis. O buraco negro mais massivo está a acretar matéria a um ritmo inferior ao do buraco negro vizinho com uma massa de 0,6 milhões de sóis, que se está a alimentar ativamente e até a exceder a taxa máxima de acreção prevista pelas teorias básicas do crescimento dos buracos negros (o limite de Eddington).

"Os dados do JWST permitiram-nos não só identificar os três buracos negros, mas também estimar as suas massas, ritmos de acreção e a massa estelar da galáxia", afirma o Dr. Giovanni Mazzolari, segundo autor do estudo e investigador do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre. "Constatámos uma massa estelar total de cerca de 1,3 mil milhões de sóis, e os buracos negros representam uma fração significativa dessa massa".

Prevê-se que o par de buracos negros centrais se funda nas próximas centenas de milhões de anos. "Estes resultados são extremamente empolgantes", acrescenta Roberto Maiolino, professor da Universidade de Cambridge e coautor do estudo. "Sugerem que a fusão de buracos negros pode ser uma via adicional e rápida para o seu crescimento acelerado no Universo primitivo".

O terceiro buraco negro, localizado fora do núcleo, pode ser o remanescente de uma fusão anterior, tendo sido deslocado do centro por um "pontapé" gravitacional, ou pode estar atualmente a migrar para o interior.

Implicações para a investigação

Estas observações demonstram que a espetroscopia de campo integral é uma ferramenta importante para identificar múltiplos buracos negros ativos em galáxias distantes. Sem a informação espacialmente resolvida fornecida pela espetroscopia de campo integral do instrumento NIRSpec, provavelmente apenas um dos três buracos negros teria sido detetado.

// Instituto Max Planck (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Astronomy & Astrophysics)

Quer saber mais?

Buraco negro supermassivo:
Wikipedia

Limite de Eddington:
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