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O Telescópio Espacial James Webb capturou imagens de dois quasares do universo primitivo, lançando luz sobre a relação entre buracos negros e suas galáxias hospedeiras. Esta descoberta sugere que a proporção de massa observada em galáxias mais recentes já estava presente menos de mil milhões de anos após o Big Bang.
As recentes observações do JWST de dois quasares desde a infância do Universo revelam informações cruciais sobre a relação inicial entre os buracos negros e as suas galáxias, ecoando as proporções de massa observadas no Universo mais recente.
Novas imagens do Telescópio Espacial James Webb (JWST) revelaram, pela primeira vez, a luz estelar de duas galáxias massivas que albergam buracos negros em crescimento ativo – quasares – vistos menos de mil milhões de anos após o Big Bang. Os buracos negros têm massas próximas de um bilhão de vezes a do Sol, e as massas da galáxia hospedeira são quase cem vezes maiores, uma proporção semelhante à encontrada no universo mais recente. Uma combinação poderosa do levantamento de campo amplo do Telescópio Subaru e do JWST abriu um novo caminho para estudar o universo distante, relata um estudo recente em Natureza.
As observações de buracos negros gigantes têm atraído a atenção dos astrônomos nos últimos anos. O Event Horizon Telescope (EHT) começou a fotografar a “sombra” dos buracos negros nos centros das galáxias. O Prêmio Novela em Física de 2020 foi concedido a observações de movimento estelar no centro do via Láctea. Embora a existência de tais buracos negros gigantes tenha se tornado sólida, ninguém sabe sua origem.
Os astrónomos relataram que existem buracos negros com mil milhões de massas solares nos primeiros mil milhões de anos do Universo – Como é que estes buracos negros puderam crescer até se tornarem tão grandes quando o Universo era tão jovem? Ainda mais intrigante, as observações no universo local mostram uma relação clara entre a massa dos buracos negros supermassivos e as galáxias muito maiores onde residem. As galáxias e os buracos negros têm tamanhos completamente diferentes, então o que veio primeiro: os buracos negros ou as galáxias? Este é um problema do “ovo ou da galinha” em escala cósmica.
Imagem JWST NIRCam 3,6 μm de HSC J2236 + 0032. A imagem reduzida, a imagem do quasar e a imagem da galáxia hospedeira após subtrair a luz do quasar (da esquerda para a direita). A escala da imagem em anos-luz está indicada em cada painel. Crédito: Ding, Onoue, Silverman et al.
Uma equipe internacional de pesquisadores liderada por Masafusa Onoue, bolsista de astrofísica Kavli do Instituto Kavli de Astronomia e Astrofísica (KIAA) da Universidade de Pequim, Xuheng Ding, pesquisador do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU ) e John Silverman, professor do Kavli IPMU começaram a responder a essa pergunta com o Telescópio Espacial James Webb (JWST), um telescópio espacial de 6,5 metros desenvolvido por uma colaboração internacional entre NASAo Agência Espacial Europeia (ESA) e a Agência Espacial Canadense (CSA), e lançado em dezembro de 2021.
Os quasares são luminosos, enquanto as suas galáxias hospedeiras são fracas, o que tornou difícil para os investigadores detectar a luz fraca da galáxia no brilho do quasar, especialmente a grandes distâncias. “Encontrar as galáxias hospedeiras dos quasares no redshift 6 é como tentar localizar vaga-lumes em um show de fogos de artifício de tirar o fôlego usando óculos embaçados. As galáxias hospedeiras são incrivelmente fracas e a resolução da imagem tem sido muito limitada, mesmo com a telescópio espacial Hubbletornando um verdadeiro desafio descobrir sua beleza oculta”, diz Xuheng Ding.
Conceito artístico do Telescópio Espacial James Webb da NASA. Crédito: NASA, ESA e Northrop Grumman
A equipe observou dois quasares com o JWST, HSC J2236+0032 e HSC J2255+0251, nos redshifts 6,40 e 6,34, quando o Universo tinha aproximadamente 860 milhões de anos. Estes dois quasares foram originalmente descobertos por um levantamento de campo amplo do Telescópio Subaru de 8,2 m, com o qual a equipa de investigação identificou mais de 160 quasares até à data. As luminosidades relativamente baixas destes quasares tornaram-nos alvos principais para a medição das propriedades da galáxia hospedeira, e a detecção bem sucedida dos hospedeiros representa a época mais antiga até à data em que a luz estelar foi detectada num quasar.
As imagens dos dois quasares foram obtidas em comprimentos de onda infravermelhos de 3,56 e 1,50 mícrons com o instrumento NIRCam do JWST, e as galáxias hospedeiras tornaram-se aparentes após cuidadosamente modelar e subtrair o brilho dos buracos negros em acreção. A assinatura estelar da galáxia hospedeira também foi vista num espectro obtido pelo NIRSpec do JWST para J2236+0032, apoiando ainda mais a detecção da galáxia hospedeira. “Tenho estado profundamente envolvido no levantamento de quasares de alto redshift pela Subaru desde os meus anos de doutoramento no Observatório Astronómico Nacional do Japão. Estou extremamente orgulhoso do sucesso da detecção da luz estelar dos quasares HSC que encontramos com o Subaru”, diz Masafusa Onoue.
O pesquisador do projeto Kavli IPMU, Xuheng Ding, o professor John Silverman e o bolsista de astrofísica Kavli, Masafusa Onoue (da esquerda). Crédito: Kavli IPMU, Kavli IPMU, Masafusa Onoue
A partir das observações, a equipe descobriu que a proporção do buraco negro massa para hospedar a massa da galáxia é semelhante àquelas observadas no Universo mais recente. O resultado sugere que a relação entre os buracos negros e os seus hospedeiros já existia nos primeiros mil milhões de anos após a Big Bang. A equipa continuará este estudo com uma amostra maior de quasares distantes, com o objetivo de restringir ainda mais a história de crescimento coevolutivo dos buracos negros e das suas galáxias-mãe ao longo do tempo cósmico. Estas observações irão restringir os modelos para a coevolução de buracos negros e das suas galáxias hospedeiras.
Leia mais sobre esta descoberta em Pesquisadores detectam as galáxias hospedeiras de quasares no universo primitivo.
Referência: “Detecção de luz estelar de galáxias hospedeiras de quasares em redshifts acima de 6” por Xuheng Ding, Masafusa Onoue, John D. Silverman, Yoshiki Matsuoka, Takuma Izumi, Michael A. Strauss, Knud Jahnke, Camryn L. Phillips, Junyao Li, Marta Volonteri, Zoltan Haiman, Irham Taufik Andika, Kentaro Aoki, Shunsuke Baba, Rebekka Bieri, Sarah EI Bosman, Connor Bottrell, Anna-Christina Eilers, Seiji Fujimoto, Melanie Habouzit, Masatoshi Imanishi, Kohei Inayoshi, Kazushi Iwasawa, Nobunari Kashikawa, Toshihiro Kawaguchi, Kotaro Kohno, Chien-Hsiu Lee, Alessandro Lupi, Jianwei Lyu, Tohru Nagao, Roderik Overzier, Jan-Torge Schindler, Malte Schramm, Kazuhiro Shimasaku, Yoshiki Toba, Benny Trakhtenbrot, Maxime Trebitsch, Tommaso Treu, Hideki Umehata, Bram P Venemans, Marianne Vestergaard, Fabian Walter, Feige Wang e Jinyi Yang, 28 de junho de 2023, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06345-5
