Nas últimas décadas, tornou-se cada vez mais claro que galáxias massivas como a nossa Via Láctea hospedam buracos negros supermassivos (SMBHs) nos seus centros. Como eles se tornaram tão massivos e como afetam o ambiente ao seu redor são questões ativas na astronomia. Astrónomos que trabalham com o Telescópio Espacial James Webb descobriram um SMBH no Universo primordial que está a acumular massa a uma taxa muito baixa, embora o buraco negro seja extremamente massivo em comparação com a sua galáxia hospedeira.
O que está acontecendo com este SMBH e o que ele diz aos astrônomos sobre o crescimento desses buracos negros gigantescos?
O buraco negro, denominado GN-1001830, foi descoberto como parte do JADES (Pesquisa Extragaláctica Profunda Avançada JWST). É um dos SMBHs mais massivos descobertos pelo JWST no Universo primordial. Embora a maioria das SMBHs atuais representem cerca de 0,1% da massa das suas galáxias hospedeiras, esta representa cerca de 40% da massa da sua galáxia hospedeira.
O intrigante é que o GN-1001830 está consumindo o gás necessário para crescer a uma taxa muito baixa e está basicamente inativo. Está fazendo uma pausa? Experimentou surtos acelerados de crescimento no passado?
As descobertas estão em uma nova pesquisa publicada na Nature intitulada “Um buraco negro supermassivo adormecido no Universo primordial.” O autor principal é Ignas Juodžbalis. Juodžbalis é estudante de graduação no Instituto Kavli de Cosmologia da Universidade de Cambridge.
“O universo primitivo conseguiu produzir alguns monstros absolutos, mesmo em galáxias relativamente pequenas.”
Ignas Juodžbalis, Instituto Kavli de Cosmologia, Universidade de Cambridge
O JWST encontrou muitos SMBHs já instalados, apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang. Alguns deles são supermassivos, mas inativos, como o GN-1001830. Os pesquisadores desenvolveram vários modelos diferentes para explicá-los.
Um modelo é o ‘semente pesada‘, onde nuvens de gás primordial colapsaram diretamente em buracos negros que cresceram e se tornaram SMBHs. Outro modelo propõe sementes leves que experimentam poderosas explosões de acreção. Ambos os modelos são promissores, mas não há certeza. “No entanto, os conjuntos de dados atuais são incapazes de diferenciar estes vários cenários”, escrevem Juodžbalis e os seus coautores no seu artigo de investigação.
Estes buracos negros supermassivos que parecem estar adormecidos estão a testar a compreensão dos astrofísicos sobre como os SMBHs se formam e crescem. É provável que eles passem por surtos de crescimento e, entre esses surtos, permaneçam adormecidos. Um dos problemas é que é muito difícil detectar um SMBH que não esteja acumulando gás ativamente. Eles são visíveis durante a acreção porque o disco de acreção aquece e emite luz.
Este só foi avistado porque é muito grande.
“Mesmo que este buraco negro esteja adormecido, o seu enorme tamanho tornou possível detectá-lo”, disse o autor principal Juodžbalis. “Seu estado dormente também nos permitiu aprender sobre a massa da galáxia hospedeira. O universo primitivo conseguiu produzir alguns monstros absolutos, mesmo em galáxias relativamente pequenas.”
O Limite de Eddington (também conhecido como Eddington Luminosity) é um fator importante no crescimento de SMBHs. É um limite superior teórico para a massa e luminosidade de objetos estelares, explicando a luminosidade que observamos na acumulação de buracos negros. O limite de Eddington é alcançado quando a pressão externa da radiação excede o poder gravitacional do objeto e ele não consegue acumular mais matéria. Os objetos também podem ultrapassar esse limite e, quando isso acontece, é chamado Super Eddington acreção. Alguns investigadores sugerem que a acreção de Super Eddington era mais comum no Universo primitivo e que explica não apenas este buraco negro supermassivo, mas todos os outros buracos negros massivos que o JWST descobriu nos primeiros tempos do Universo.
“É possível que os buracos negros ‘nasçam grandes’, o que poderia explicar por que Webb avistou enormes buracos negros no universo primitivo”, disse o coautor do estudo, Professor Roberto Maiolino, do Instituto Kavli e do Laboratório Cavendish de Cambridge. “Mas outra possibilidade é que passem por períodos de hiperatividade, seguidos de longos períodos de dormência”.
“É provável que a grande maioria dos buracos negros que existem por aí estejam neste estado dormente.”
Professor Roberto Maiolino, Instituto Kavli e Laboratório Cavendish de Cambridge
A pesquisa baseia-se na detecção de amplas Emissões H-alfa da SMBH. Essas emissões mostraram que o buraco negro supermassivo tem uma massa estimada de aproximadamente 4 × 10? (40 milhões) de massas solares. Isso é extremamente massivo para um objeto apenas cerca de 800 milhões de anos após o Big Bang. Para comparação, Sagitário A*o SMBH na Via Láctea, tem uma massa estimada em cerca de 4,3 milhões de massas solares.
O SMBH em questão é um dos objetos mais massivos que o JWST encontrou. A sua massa é quase 50% da massa estelar da sua galáxia hospedeira. Isso é cerca de 1.000 vezes mais massivo do que a relação nas galáxias locais.
Os pesquisadores conduziram simulações de computador para investigar o problema. A pesquisa deles sugere que os períodos de hiperatividade do SMBH provavelmente excedem o Limite de Eddington. Os longos períodos de dormência e inatividade do SMBH podem durar 100 milhões de anos, onde a taxa de acreção é de apenas 0,02 vezes o Limite de Eddington, e são pontuados por episódios de acreção de Super Eddington que duram cerca de cinco ou dez milhões de anos.
“Parece contra-intuitivo explicar um buraco negro adormecido com períodos de hiperatividade, mas estas explosões curtas permitem-lhe crescer rapidamente enquanto passa a maior parte do tempo a dormir a sesta”, disse Maiolino.
Como esses SMBHs passam muito mais tempo inativos do que ativos, é mais provável que sejam detectados durante a dormência. No entanto, eles são muito mais difíceis de detectar quando não estão acumulando ativamente e emitindo radiação de seus anéis de acreção. Isso é parte do que torna esta detecção tão valiosa.
Esses resultados são agnósticos quando se trata de sementes pesadas ou leves. Em vez disso, são todos sobre episódios de Super Eddington. “É tentador especular que o nosso resultado favorece modelos de sementes leves. Contudo, o mesmo resultado também seria válido se os modelos tivessem começado com sementes pesadas. A principal característica que permite que as propriedades do GN-1001830 sejam correspondidas é o fato de que a acreção passa por fases super-Eddington, independentemente do mecanismo de semeadura”, explicam os autores.
“Este foi o primeiro resultado que obtive como parte do meu doutoramento e demorei algum tempo a perceber o quão notável era”, disse Juodžbalis. “Só quando comecei a falar com os meus colegas sobre o lado teórico da astronomia é que fui capaz de ver o verdadeiro significado deste buraco negro.”
“É provável que a grande maioria dos buracos negros que existem por aí estejam neste estado adormecido – estou surpreendido por termos encontrado este – mas estou entusiasmado por pensar que podemos encontrar muitos mais,” disse Maiolino.
