Impressão artística da região central brilhante de um quasar, uma galáxia ativa. O buraco negro supermassivo no centro é cercado por um disco brilhante de gás e poeira. O componente de poeira mais distante pode obscurecer a visão do interior e brilha predominantemente na faixa do infravermelho médio, luz que pode ser analisada pelo Telescópio Espacial James Webb. Um feixe de partículas de alta energia se projeta para o espaço a partir da vizinhança imediata do buraco negro perpendicular ao disco. Crédito: © T. Müller / MPIA
Surpreendentemente pouco espetacular: o buraco negro já pesava mais de um bilhão de massas solares no início do universo, apesar do apetite médio.
Observando os estágios iniciais do universo de 13,8 bilhões de anos, o Telescópio Espacial James Webb avistou uma galáxia tal como ela existia apenas 700 milhões de anos após a Big Bang. É intrigante como o buraco negro em seu centro já poderia pesar um bilhão de massas solares quando o universo ainda estava em sua infância. As observações de James Webb foram projetadas para dar uma olhada mais de perto no mecanismo de alimentação, mas não encontraram nada fora do comum. Aparentemente, os buracos negros já estavam crescendo de forma semelhante à de hoje. Mas o resultado é ainda mais significativo: pode mostrar que os astrônomos sabem menos sobre como as galáxias se formam do que pensavam. E ainda assim as medições não são de forma alguma decepcionantes. Pelo contrário.
O Mistério dos Buracos Negros Primitivos
O primeiro bilhão de anos de história cósmica representa um desafio: os primeiros buracos negros conhecidos nos centros das galáxias têm massas surpreendentemente grandes. Como eles se tornaram tão massivos, tão rapidamente? As novas observações descritas aqui fornecem fortes evidências contra algumas explicações propostas, notavelmente contra um “modo de alimentação ultraefetivo” para os primeiros buracos negros.
Os limites do crescimento de buracos negros supermassivos
Estrelas e galáxias mudaram enormemente nos últimos 13,8 bilhões de anos, o tempo de vida do Universo. Galáxias cresceram e adquiriram mais massa, seja consumindo gás circundante ou (ocasionalmente) se fundindo umas com as outras. Por muito tempo, astrônomos presumiram que os buracos negros supermassivos nos centros das galáxias teriam crescido gradualmente junto com as próprias galáxias.
Mas o crescimento do buraco negro não pode ser arbitrariamente rápido. A matéria que cai em um buraco negro forma um “disco de acreção” giratório, quente e brilhante. Quando isso acontece ao redor de um buraco negro supermassivo, o resultado é um núcleo galáctico ativo. Os objetos mais brilhantes, conhecidos como quasares, estão entre os objetos astronômicos mais brilhantes de todo o cosmos. Mas esse brilho limita a quantidade de matéria que pode cair no buraco negro: a luz exerce uma pressão, que pode impedir que matéria adicional caia.
Como os buracos negros se tornaram tão massivos tão rápido?
É por isso que os astrônomos ficaram surpresos quando, nos últimos vinte anos, observações de quasares distantes revelaram buracos negros muito jovens que, no entanto, atingiram massas tão altas quanto 10 bilhões de massas solares. A luz leva tempo para viajar de um objeto distante até nós, então olhar para objetos distantes significa olhar para o passado distante. Vemos os quasares mais distantes conhecidos como eles eram em uma era conhecida como “amanhecer cósmico”, menos de um bilhão de anos após o Big Bang, quando as primeiras estrelas e galáxias se formaram.
Explicar esses buracos negros massivos primitivos é um desafio considerável para os modelos atuais de evolução de galáxias. Poderia ser que os buracos negros primitivos eram muito mais eficientes em acretar gás do que suas contrapartes modernas? Ou a presença de poeira poderia afetar as estimativas de massa do quasar de uma forma que fez os pesquisadores superestimarem as massas dos buracos negros primitivos? Existem inúmeras explicações propostas neste momento, mas nenhuma que seja amplamente aceita.
Um olhar mais atento ao crescimento inicial do buraco negro
Decidir quais — se houver — das explicações estão corretas requer uma imagem mais completa dos quasares do que a disponível antes. Com o advento do telescópio espacial JWST, especificamente o instrumento de infravermelho médio do telescópio MIRI, a capacidade dos astrônomos de estudar quasares distantes deu um salto gigantesco. Para medir espectros de quasares distantes, o MIRI é 4000 vezes mais sensível do que qualquer instrumento anterior.
Instrumentos como o MIRI são construídos por consórcios internacionais, com cientistas, engenheiros e técnicos trabalhando em conjunto. Naturalmente, um consórcio está muito interessado em testar se seu instrumento tem um desempenho tão bom quanto o planejado. Em troca da construção do instrumento, os consórcios normalmente recebem uma certa quantidade de tempo de observação. Em 2019, anos antes do lançamento do JWST, o Consórcio Europeu MIRI decidiu usar parte desse tempo para observar o que era então o quasar mais distante conhecido, um objeto que atende pela designação J1120+0641.
Observando um dos primeiros buracos negros
A análise das observações ficou a cargo da Dra. Sarah Bosman, pesquisadora de pós-doutorado no Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) e membro do consórcio europeu MIRI. As contribuições do MPIA para o instrumento MIRI incluem a construção de uma série de peças internas importantes. Bosman foi convidada a se juntar à colaboração MIRI especificamente para trazer experiência sobre como melhor usar o instrumento para estudar o Universo primitivo, em particular os primeiros buracos negros supermassivos.
As observações foram realizadas em janeiro de 2023, durante o primeiro ciclo de observações do JWST, e duraram cerca de duas horas e meia. Elas constituem o primeiro estudo de infravermelho médio de um quasar no período do amanhecer cósmico, apenas 770 milhões de anos após o Big Bang (redshift z=7). As informações não vêm de uma imagem, mas de um espectro: a decomposição semelhante a um arco-íris da luz do objeto em componentes em diferentes comprimentos de onda.
Rastreamento de poeira e gás em movimento rápido
A forma geral do espectro infravermelho médio (“continuum”) codifica as propriedades de um grande toro de poeira que circunda o disco de acreção em quasares típicos. Este toro ajuda a guiar a matéria para o disco de acreção, “alimentando” o buraco negro. As más notícias para aqueles cuja solução preferida para os buracos negros massivos iniciais está em modos alternativos rápidos de crescimento: o toro e, por extensão, o mecanismo de alimentação neste quasar muito antigo, parecem ser os mesmos de suas contrapartes mais modernas. A única diferença é uma que nenhum modelo de rápido crescimento inicial de quasar previu: uma temperatura de poeira um pouco mais alta, em torno de cem Kelvin, mais quente do que os 1300 K encontrados para a poeira mais quente em quasares menos distantes.
A parte de menor comprimento de onda do espectro, dominada pelas emissões do próprio disco de acreção, mostra que, para nós, observadores distantes, a luz do quasar não é diminuída por mais poeira do que o normal. Argumentos de que talvez estejamos apenas superestimando as massas iniciais dos buracos negros por causa da poeira adicional também não são a solução.
Quasares primitivos “surpreendentemente normais”
A região de linha larga do quasar, onde aglomerados de gás orbitam o buraco negro a velocidades próximas à velocidade da luz – o que permite deduções sobre a massa do buraco negro e a densidade e ionização da matéria ao redor – também parece normal. Por quase todas as propriedades que podem ser deduzidas do espectro, J1120+0641 não é diferente de quasares de épocas posteriores.
“No geral, as novas observações só aumentam o mistério: os primeiros quasares eram chocantemente normais. Não importa em quais comprimentos de onda os observamos, os quasares são quase idênticos em todas as épocas do Universo”, diz Bosman. Não apenas os buracos negros supermassivos em si, mas também seus mecanismos de alimentação aparentemente já estavam completamente “maduros” quando o Universo tinha apenas 5% de sua idade atual. Ao descartar uma série de soluções alternativas, os resultados apoiam fortemente a ideia de que os buracos negros supermassivos começaram com massas consideráveis desde o início, no jargão da astronomia: que eles são “primordiais” ou “semeados grandes”. Os buracos negros supermassivos não se formaram a partir dos restos de estrelas primitivas, então cresceram massivamente muito rápido. Eles devem ter se formado cedo com massas iniciais de pelo menos cem mil massas solares, presumivelmente por meio do colapso de nuvens massivas de gás.
Referência: “Um quasar maduro no amanhecer cósmico revelado pela espectroscopia infravermelha de repouso JWST” por Sarah EI Bosman, Javier Álvarez-Márquez, Luis Colina, Fabian Walter, Almudena Alonso-Herrero, Martin J. Ward, Göran Östlin, Thomas R. Greve, Gillian Wright, Arjan Bik, Leindert Boogaard, Karina Caputi, Luca Costantin, Andreas Eckart, Macarena García-Marín, Steven Gillman, Jens Hjorth, Edoardo Iani, Olivier Ilbert, Iris Jermann, Alvaro Labiano, Danial Langeroodi, Florian Peilußker, Pierluigiker Rinaldi, Martin Topinka, Paul van der Werf, Manuel Güdel, Thomas Henning, Pierre-Olivier Lagage, Tom P. Ray, Ewine F. van Dishoeck e Bart Vandenbussche, 17 de junho de 2024, Astronomia da Natureza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0
