Buracos negros supermassivos no universo primitivo desafiam as teorias cosmológicas

Uma representação artística da região central brilhante de um quasar, uma galáxia ativa. O buraco negro supermassivo no centro está rodeado por um disco brilhante de gás e poeira. O componente de poeira mais externo pode obscurecer a visão do interior e brilha principalmente na faixa do infravermelho médio, luz que pode ser analisada pelo Telescópio Espacial James Webb. Um feixe de partículas de alta energia emerge para o espaço a partir da vizinhança imediata do buraco negro perpendicular ao disco. Direitos autorais: © T. Müller/MPIA

Surpreendentemente, não é surpreendente: o buraco negro já pesava mais de mil milhões de massas solares no Universo primitivo, apesar do seu apetite médio.

Ao olhar para os primeiros estágios do universo, que tem 13,8 bilhões de anos, Telescópio Espacial James Webb Ele observou uma galáxia tal como existia há apenas 700 milhões de anos a grande explosão. É intrigante como Buraco negro Os buracos negros no seu centro já pesariam mil milhões de massas solares quando o Universo ainda estava na sua infância. As observações de James Webb foram projetadas para examinar mais de perto o mecanismo de alimentação, mas ele não encontrou nada fora do comum. Claramente, os buracos negros já estavam crescendo de forma semelhante ao que acontece hoje. Mas a descoberta é ainda mais importante: mostra que os astrónomos sabem menos sobre como as galáxias se formam do que pensavam. No entanto, as medições não são de forma alguma decepcionantes. Pelo contrário.

O mistério dos primeiros buracos negros

Os primeiros mil milhões de anos da história do Universo representam um grande desafio: os mais antigos buracos negros conhecidos nos centros das galáxias tinham massas surpreendentemente massivas. Como ficou tão grande tão rapidamente? As novas observações aqui descritas fornecem fortes evidências contra algumas das explicações propostas, especialmente contra o “modo de alimentação ultraeficiente” dos primeiros buracos negros.

Limites ao crescimento de buracos negros supermassivos

As estrelas e as galáxias mudaram dramaticamente nos últimos 13,8 mil milhões de anos, a idade do Universo. As galáxias tornaram-se maiores e ganharam mais massa, quer consumindo o gás que as rodeia, quer (por vezes) fundindo-se umas com as outras. Durante muito tempo, os astrónomos presumiram que os buracos negros massivos nos centros das galáxias teriam crescido gradualmente ao lado das próprias galáxias.

Mas o crescimento dos buracos negros não pode ser arbitrariamente rápido. O material que cai no buraco negro forma um “disco de acreção” quente e brilhante. Quando isto acontece em torno de um buraco negro supermassivo, o resultado é um núcleo galáctico ativo. Os mais brilhantes destes objetos, conhecidos como quasares, estão entre os objetos astronômicos mais brilhantes de todo o universo. Mas este brilho limita a quantidade de matéria que pode cair no buraco negro: a luz exerce uma pressão que pode impedir a queda de matéria adicional.

Como os buracos negros se tornaram tão massivos tão rapidamente?

É por isso que os astrónomos ficaram surpresos quando observações de quasares distantes ao longo dos últimos 20 anos revelaram buracos negros recém-formados, mas a sua massa atingiu dez mil milhões de massas solares. A luz leva muito tempo para viajar de um objeto distante até nós, então olhar para objetos distantes significa olhar para um passado distante. Vemos os quasares mais distantes conhecidos tal como existiram numa era conhecida como o “amanhecer do universo”, menos de mil milhões de anos após o Big Bang, quando as primeiras estrelas e galáxias se formaram.

Explicar estes primeiros buracos negros massivos representa um grande desafio para os modelos atuais de evolução das galáxias. Poderiam os primeiros buracos negros ser mais eficientes na acumulação de gás do que os seus homólogos modernos? Ou poderá a presença de poeira afetar as estimativas da massa dos quasares de uma forma que levou os investigadores a sobrestimar a massa dos primeiros buracos negros? Existem muitas explicações propostas neste momento, mas nenhuma é amplamente aceita.

Um olhar mais atento sobre o crescimento inicial de um buraco negro

Determinar quais explicações são corretas – se houver alguma – requer uma imagem mais completa dos quasares do que a que estava disponível anteriormente. Com o advento do Telescópio Espacial James Webb, e especificamente do instrumento de infravermelho médio MIRI, a capacidade dos astrônomos de estudar quasares distantes deu um grande salto. Ao medir os espectros de quasares distantes, o MIRI é cerca de 4.000 vezes mais sensível do que qualquer instrumento anterior.

Instrumentos como o MIRI são construídos por consórcios internacionais, onde cientistas, engenheiros e técnicos trabalham em estreita colaboração. Naturalmente, o consórcio está profundamente interessado em testar se a sua ferramenta funciona tão bem como planeado. Em troca da construção da ferramenta, o consórcio normalmente recebe um certo tempo de monitoramento. Em 2019, anos antes do lançamento do JWST, o Consórcio Europeu MIRI decidiu usar parte desse tempo para observar aquele que era então o quasar mais distante conhecido, um objeto denominado J1120+0641.

Observando um dos buracos negros mais antigos

As observações foram analisadas pela Dra. Sarah Bosman, pesquisadora de pós-doutorado no Instituto Max Planck de Astronomia e membro do Consórcio Europeu MIRI. As contribuições do MPIA para o instrumento MIRI incluem a construção de uma série de peças internas importantes. Boseman foi convidado a juntar-se à colaboração do MIRI especificamente para fornecer conhecimentos sobre a melhor forma de utilizar o instrumento para estudar o universo primitivo, especialmente os primeiros buracos negros supermassivos.

As observações foram feitas em janeiro de 2023, durante o primeiro ciclo de observações do Telescópio James Webb, e duraram cerca de duas horas e meia. Representa o primeiro estudo no infravermelho médio de um quasar durante o período do amanhecer cósmico, apenas 770 milhões de anos após o Big Bang (desvio para o vermelho z = 7). A informação não vem de uma imagem, mas sim de um espectro: a decomposição da luz de um objeto em componentes de diferentes comprimentos de onda, semelhante a um arco-íris.

Rastreie poeira e gás em movimento rápido

A forma geral do espectro do infravermelho médio (“contínuo”) codifica as características de um grande anel de poeira que envolve o disco de acreção em quasares típicos. Este anel ajuda a direcionar a matéria para o disco de acreção, “alimentando” o buraco negro. A má notícia para aqueles que preferem resolver o problema dos primeiros buracos negros massivos reside em métodos alternativos de crescimento rápido: o anel, e portanto o mecanismo de alimentação neste quasar muito antigo, parece ser o mesmo dos seus homólogos mais modernos. A única diferença é algo que nenhum modelo de crescimento rápido dos quasares iniciais previu: a temperatura da poeira é ligeiramente mais elevada, cerca de cem Kelvins mais quente do que os 1.300 Kelvins encontrados na poeira mais quente em quasares menos distantes.

A parte do espectro de comprimento de onda mais curto, dominada pelas emissões do próprio disco de acreção, mostra aos observadores distantes que a luz do quasar não é ofuscada por mais poeira do que o normal. Argumentos de que podemos estar superestimando a massa inicial do buraco negro devido à poeira extra também não são a resposta.

Os primeiros quasares são ‘chocantemente normais’

A região com contornos de um quasar, onde aglomerados de gás orbitam o buraco negro a velocidades próximas da velocidade da luz – permitindo inferências sobre a massa do buraco negro e a densidade e ionização da matéria circundante – também parece normal. De acordo com quase todas as características que podem ser inferidas do espectro, J1120+0641 não é diferente dos quasares de épocas posteriores.

“No geral, as novas observações aumentam o mistério: os primeiros quasares eram surpreendentemente normais. Independentemente dos comprimentos de onda em que os observamos, os quasares são quase idênticos em todas as épocas do Universo,” diz Bosman. Não só os próprios buracos negros supermassivos, mas também os seus mecanismos de alimentação estavam totalmente “maduros” quando o Universo tinha apenas 5% da sua idade atual. Ao excluir uma série de soluções alternativas, os resultados apoiam fortemente a ideia de que os buracos negros supermassivos começaram com grandes massas desde o início, na terminologia astronómica: “primordial” ou “massivo”. Os buracos negros supermassivos não se formaram a partir dos restos das primeiras estrelas, mas cresceram muito rapidamente. Devem ter-se formado cedo, com massas iniciais de pelo menos 100.000 massas solares, talvez pelo colapso de enormes nuvens de gás primitivas.

Referência: “Um quasar maduro no início do universo detectado pela espectroscopia infravermelha de quadro estacionário JWST” por Sarah E. I. Bosman, Javier Álvarez Márquez, Luis Colina, Fabian Walter, Almudena Alonso Herrero, Martin J. Ward, Goran Östlin, Thomas R. Greif, Gillian Wright, Arjan Beck, Leandert Bogarde, Karina Capote, Luca Constantin, Andreas Eckart, Macarena Garcia Marin, Stephen Gelmann, Jens Hjorth, Edoardo Ianni, Olivier Ilbert, Iris German, Alvaro Labiano, Daniel Langerudi, Florian Biesker, Pierluigi Rinaldi , Martin Topinka, Paul van der Werf, Manuel Godel, Thomas Henning, Pierre-Olivier Lagage, Tom B. Ray, Ewen F. Van Deschock e Bart Vandenbosche, 17 de junho de 2024, Astronomia natural.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0