Não faz muito tempo, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) examinou o Cosmic Dawn, o período cosmológico em que as primeiras galáxias se formaram menos de mil milhões de anos após o Big Bang. No processo, descobriu algo bastante surpreendente. Não só havia mais galáxias (e também mais brilhantes!) do que o esperado, mas estas galáxias tinham buracos negros supermassivos (SMBH) muito maiores do que os modelos cosmológicos previam. Para astrônomos e cosmólogos, explicar como essas galáxias e seus SMBHs (também conhecidos como quasares) poderiam ter crescido tanto menos de um bilhão de anos após o Big Bang tornou-se um grande desafio.
Várias propostas foram feitas, desde ilusões de ótica até matéria escura acelerando o crescimento de buracos negros. Em um estudo recenteuma equipe internacional liderada por pesquisadores do Instituto Nacional de Astrofísica (INAF) analisou uma amostra de 21 quasares, entre os mais distantes já descobertos. Os resultados sugerem que os buracos negros supermassivos no centro destas galáxias podem ter atingido as suas massas surpreendentes através de uma acumulação muito rápida, fornecendo uma explicação plausível de como as galáxias e os seus SMBHs cresceram e evoluíram durante o Universo primordial.
O estudo foi liderado por Alessia Tortosa, investigadora do INAF Observatório Astronômico de Roma. Ela foi acompanhada por pesquisadores do Centro de Astronomia Extragalácticao Centro de Astrobiologia (CAB), o Instituto de Astrofísica Espacial e Física Cósmica de Milãoo Instituto de Física Fundamental do Universoo Instituto Nacional de Física Nuclearo Centro Harvard & Smithsonian de Astrofísicao Agência Espacial Italiana (ASI), o Agência Espacial Europeia (ESA), o Centro de Voo Espacial Goddard da NASAe vários observatórios e universidades. O artigo detalhando suas descobertas foi publicado recentemente no Astronomia e Astrofísica.
Os radioastrônomos observaram quasares pela primeira vez na década de 1950 com base nas grandes quantidades de radiação que emitiam em muitas frequências. Esses objetos, que eles chamaram de “objetos quase estelares” (quasar, para abreviar), eram notáveis pela forma como seus núcleos ofuscariam todas as estrelas em seus discos. A partir da década de 1970, os astrónomos aprenderam que este fenómeno se devia à presença de SMBHs no centro destas galáxias. Desde então, os astrónomos têm estado ansiosos por observar as primeiras galáxias do Universo para ver as “sementes” destes buracos negros e traçar a sua evolução.
No entanto, as observações de Webb revelaram algumas “sementes” surpreendentemente grandes no centro das primeiras galáxias que ele imaginou. Isso incluiu galáxias como EGSY8p7que existiu apenas 570 milhões de anos após o Big Bang, mas tinha um buraco negro central com cerca de 9 milhões de vezes a massa do Sol. Ainda mais surpreendente foi a UHZ1, uma galáxia que existia quando o Universo tinha cerca de 470 milhões de anos. No seu centro, Webb avistou um enorme buraco negro (designado CEERS 1019) com 40 milhões de vezes a massa do nosso Sol – dez vezes a massa de Sagitário A*, o SMBH no centro da Via Láctea.
De acordo com os modelos cosmológicos mais amplamente aceites, estas galáxias e buracos negros não tiveram tempo suficiente para crescerem tanto. Para o seu estudo, Tortosa e seus colegas analisaram uma amostra de 21 quasares (incluindo os mais distantes já observados) com base em dados de raios X obtidos pelos telescópios espaciais XMM-Newton e Chandra. Isto revelou uma ligação completamente inesperada entre a forma das emissões de raios X e a velocidade dos ventos que expelem matéria dos quasares. Esta ligação sugere que a velocidade do vento está ligada à temperatura do gás mais próximo da coroa do buraco negro (a região emissora de raios-X).
Isto significa que a coroa está ligada aos poderosos mecanismos de acreção que permitem o crescimento dos buracos negros. Especificamente, observaram como os quasares com emissões de raios X de baixa energia e temperaturas mais baixas têm ventos mais rápidos, levando a uma taxa de crescimento rápida que excede a Limite de Eddington – o limite teórico da massa de uma estrela ou de um disco de acreção. Entretanto, os quasares com maiores emissões de raios X tendem a apresentar velocidades de vento mais lentas. Como Tortosa explicou num INAF comunicado de imprensa:
“O nosso trabalho sugere que os buracos negros supermassivos no centro dos primeiros quasares formados nos primeiros mil milhões de anos de vida do Universo podem ter aumentado a sua massa muito rapidamente, desafiando os limites da física. A descoberta desta ligação entre a emissão de raios X e os ventos é crucial para compreender como buracos negros tão grandes se podem ter formado em tão pouco tempo, fornecendo assim uma pista concreta para resolver um dos maiores mistérios da astrofísica moderna.”
A maioria dos dados do XMM-Newton foram coletados entre 2021 e 2023 como parte de um Programa Plurianual de Patrimônio XMM-Newton conhecido como Quasares hiperluminosos na época da reionização (HIPERÍÃO). Este programa é dirigido por Luca Zappacosta, investigador do INAF e segundo autor do artigo, e tem como objetivo estudar quasares hiperluminosos durante a alvorada cósmica do Universo. Disse Zappacosta:
“No programa HYPERION, concentrámo-nos em dois factores chave: por um lado, a selecção cuidadosa dos quasares a observar, escolhendo os titãs, ou seja, aqueles que acumularam tanta massa quanto possível, e por outro lado, a profundidade estudo de suas propriedades em raios X, algo nunca tentado antes em um número tão grande de objetos do amanhecer cósmico. Tiramos a sorte grande! Os resultados que estamos a obter são genuinamente inesperados e todos apontam para um mecanismo de crescimento super-Eddington dos buracos negros.”
Este estudo fornece informações valiosas sobre a formação e evolução de SMBHs e suas galáxias hospedeiras. As descobertas da equipa também servirão de base para futuras missões de raios X, como a da ESA Telescópio Avançado para Astrofísica de Altas Energias (ATENA) e da NASA Satélite avançado de imagem de raios X (EIXO) e Observatório de raios X Lynxcom lançamento previsto para as próximas duas décadas. Espera-se que estes e outros instrumentos da próxima geração revelem ainda mais sobre o Universo primordial e ajudem a resolver os seus mistérios mais profundos.
Leitura adicional: INAF, Astronomia e Astrofísica
