Num novo estudo, investigadores do Instituto Max Planck de Astrofísica colaboraram com os seus homólogos japoneses para resolver um mistério de longa data na astrofísica moderna: como é que os buracos negros supermassivos se formaram tão rapidamente no Universo primitivo. A equipa utilizou as simulações cosmológicas mais detalhadas até à data para demonstrar que sementes de buracos negros massivos, com massas até um milhão de vezes superiores à do nosso Sol, podem formar-se naturalmente em grupos galácticos densos e primitivos. Estas sementes crescem rapidamente através da acreção super-Eddington, o que explica a existência dos "Pequenos Pontos Vermelhos" (ou LRDs, sigla inglesa para "Little Red Dots") observados pelo Telescópio Espacial James Webb. O estudo unifica a formação destes primeiros buracos negros com a evolução das primeiras galáxias, oferecendo uma compreensão abrangente de como os objetos mais poderosos do Universo surgiram apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang.

Apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, o Universo já continha buracos negros supermassivos com milhões ou mesmo milhares de milhões de vezes a massa do nosso Sol. A maneira como tais gigantes se puderam formar tão rapidamente tem intrigado os astrónomos há décadas. Agora, um novo estudo liderado por Sunmyon Chon, do Instituto Max Planck de Astrofísica, revelou uma resposta convincente utilizando simulações sofisticadas do Universo primitivo.

A investigação revela que sementes de buracos negros massivos - com massas que podem atingir 1 milhão de vezes a do Sol - podem formar-se naturalmente em grupos densos de galáxias primitivas, sem necessitarem de condições exóticas ou extremamente específicas. Estas sementes crescem então a velocidades surpreendentes, evoluindo rapidamente para os buracos negros supermassivos observados pelo Telescópio Espacial James Webb no distante Universo primitivo.

A chave para esta descoberta reside num efeito poderoso que tem sido frequentemente ignorado nas simulações cosmológicas: a intensa radiação no ultravioleta extremo proveniente de galáxias próximas com formação estelar. No Universo primitivo, as galáxias massivas formavam-se em grupos densos. A radiação proveniente destas galáxias inibiu a formação estelar em nuvens de gás próximas, impedindo-as de arrefecer e fragmentar-se em estrelas mais pequenas. Em vez disso, o gás colapsou diretamente num único objeto massivo: uma estrela supermassiva, que depois colapsou, dando origem a uma semente de buraco negro de dimensões sem precedentes.

"Esta é a primeira vez que observamos a formação de sementes tão massivas numa simulação cosmológica completa", afirma Sunmyon Chon, autor principal do estudo. "Não partimos de nenhum pressuposto especial: sem condições ajustadas com precisão, sem gatilhos artificiais. A física da radiação, da gravidade e da dinâmica dos gases levou naturalmente à formação destas sementes pesadas".

As simulações mostram que, uma vez formadas, estas sementes de buracos negros estão rodeadas por discos de gás densos e oticamente espessos. Este ambiente retém a radiação, permitindo que os buracos negros acumulem matéria a ritmos dezenas de vezes mais rápidos do que o limite de Eddington, que é um máximo teórico. Esta fase "super-Eddington" dura apenas algumas centenas de milhares de anos, mas é tempo suficiente para que o buraco negro cresça de 1 milhão para 30 milhões de massas solares no desvio para o vermelho z ≈ 8 - apenas 600 milhões de anos após o Big Bang.

Formação e evolução de sementes de buracos negros massivos numa simulação cosmológica de hidrodinâmica de radiação. A escala de cores mostra a distribuição da densidade do gás em torno dos halos-alvo no desvio para o vermelho z = 12. Os asteriscos pretos indicam sementes pesadas de buracos negros formadas através do colapso de estrelas supermassivas. O círculo assinala o halo-fonte vizinho que fornece a intensa radiação no ultravioleta extremo necessária para a formação de buracos negros de semente pesada. Crédito: Instituto Max Planck de Astrofísica

É aqui que entram os "Pequenos Pontos Vermelhos". O Webb descobriu recentemente uma misteriosa população de fontes compactas e vermelhas com desvios para o vermelho z > 4–6. Estes "Pequenos Pontos Vermelhos" são fracos no visível, mas brilhantes no espetro infravermelho, apresentando fortes linhas de emissão de hidrogénio e emissão contínua no vermelho - sinais de gás denso e obscurecido. Até agora, a sua origem era um mistério.

As novas simulações mostram que os LRDs não são apenas galáxias distantes; são fases de curta duração e obscurecidas da formação de buracos negros massivos. O gás denso que rodeia o buraco negro em crescimento age como um casulo cósmico, dispersando a luz e produzindo os espetros vermelhos e ricos em características observados pelo Webb. A forte emissão de Hα tem origem diretamente no gás denso que rodeia o buraco negro, em vez de surgir de uma região de linhas largas separada.

"Esta é uma correspondência perfeita", explica Chon. "As simulações reproduzem naturalmente as características espetrais exatas dos LRDs. Não estamos apenas a explicar a massa do buraco negro; estamos a explicar toda a assinatura observacional".

O estudo também resolve um paradoxo de longa data: por que razão alguns buracos negros primitivos são muito mais massivos do que o esperado com base nas relações de escala locais. A resposta reside na fase inicial de crescimento rápido. Assim que o buraco negro se instala numa galáxia, continua a crescer, embora a um ritmo mais lento e estável. A formação da semente massiva nas primeiras centenas de milhares de anos prepara o terreno para os buracos negros supermassivos observados atualmente.

As implicações vão muito além dos buracos negros. Estas sementes massivas e primitivas provavelmente desempenharam um papel vital na formação das primeiras galáxias, impulsionando poderosos fluxos e influenciando a formação estelar. São também os progenitores mais prováveis das fontes de ondas gravitacionais que serão detetadas por futuras missões, como a LISA.

"Este trabalho estabelece a ligação entre as primeiras estrelas, os primeiros buracos negros e as primeiras galáxias", afirma Volker Springel, autor principal e diretor do Instituto Max Planck de Astrofísica. "Não estamos apenas a simular buracos negros - estamos a simular o nascimento das estruturas cósmicas que vemos hoje".

À medida que o Webb continua a revelar mais LRDs e que futuros telescópios investigam mais profundamente o Universo primitivo, este novo modelo fornece um roteiro poderoso para compreender como o cosmos evoluiu da escuridão para a luz.

"Demonstrámos que os buracos negros mais massivos do Universo não precisaram de um milagre - precisaram apenas das condições certas", resume Chon. "E essas condições já estavam presentes no cosmos primitivo".

// Instituto Max Planck de Astrofísica (comunicado de imprensa)
// NAOJ (comunicado de imprensa)
// Universidade de Chiba (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature)

Quer saber mais?

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

Buraco negro supermassivo:
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