Desvendar os mistérios do Universo primordial é um dos principais esforços do JWST. Encontrar e examinar algumas das primeiras galáxias é uma parte importante do seu trabalho. Uma das primeiras galáxias do Universo é extraordinariamente luminosa e os investigadores questionam-se porquê. Parece que o JWST encontrou a resposta.
A galáxia em questão chama-se GN-z11 e existia quando o Universo tinha menos de meio bilhão de anos. O Hubble avistou-o pela primeira vez em 2016, com a ajuda do Telescópio Espacial Spitzer. Na época, era a galáxia antiga mais distante já vista. No documento anunciando a descobertaescreveram os autores, “GN-z11 é luminoso e jovem, mas moderadamente massivo, implicando um rápido aumento de massa estelar no passado”.
Eles também escreveram que “as instalações futuras serão capazes de encontrar os progenitores de tais galáxias com desvio para o vermelho mais elevado e sondar a época cósmica no início da reionização”. Agora que o JWST está profundamente envolvido em sua missão, é exatamente aí que nos encontramos. Também deu uma olhada mais de perto no GN-z11.
Os descobridores sugeriram que a alta luminosidade da galáxia poderia ser causada por uma núcleo galáctico ativo (AGN), mas não tinha certeza. Uma nova pesquisa baseada nas observações do JWST mostra que eles estavam certos. Parece que a luminosidade da galáxia vem de um buraco negro supermassivo (SMBH) no centro da galáxia, iluminando-o à medida que acumula ativamente matéria. Um dos sinais reveladores é um acúmulo de gás próximo ao SMBH.
“Encontramos gás extremamente denso que é comum nas proximidades de buracos negros supermassivos que acumulam gás”, explicou o investigador principal Roberto Maiolino do Laboratório Cavendish e do Instituto Kavli de Cosmologia da Universidade de Cambridge, no Reino Unido. “Estas foram as primeiras assinaturas claras de que GN-z11 hospeda um buraco negro que devora matéria.”
Os cientistas sabem que a região próxima a um SMBH é extremamente quente e que aglomerados de gás se formam perto dela. A poderosa gravidade do buraco cria um disco de acreção giratório de material próximo a ele, e o material no disco pode ser acelerado a velocidades relativísticas. Nessas velocidades, as moléculas colidem e geram atrito. Isso gera calor que pode atingir uma temperatura de milhões de graus. O calor extremo impulsiona o gás para fora em velocidades extremamente altas, mas também pode levar o gás a formar aglomerados densos como os que o JWST encontrou no GN-z11.
O aglomerado carece de metalicidade, por isso é provavelmente de natureza primordial, não contaminado por elementos mais pesados que só mais tarde seriam criados por gerações sucessivas de estrelas.
Nunca vimos as primeiras estrelas do Universo, as estrelas da População III. Mas como foram as primeiras estrelas, formaram-se a partir de hidrogénio e hélio, tudo o que estava disponível na altura. Encontrar essas primeiras estrelas é um objetivo importante na astronomia, por isso é importante encontrar esses aglomerados igualmente imaculados. Os aglomerados de gás encontrados pelo JWST também são feitos apenas de hidrogênio e hélio, portanto podem ser precursores da formação de estrelas de População III.
“O facto de não vermos mais nada para além do hélio sugere que este aglomerado deve ser bastante imaculado,” disse Maiolino. “Isto é algo que era esperado pela teoria e pelas simulações nas proximidades de galáxias particularmente massivas destas épocas – que deveria haver bolsas de gás primitivo sobrevivendo no halo, e estas podem entrar em colapso e formar aglomerados estelares de População III.”
Mais duas evidências apoiam a hipótese do buraco negro. A acreção de buracos negros produz elementos químicos ionizados, e o JWST encontrou evidências deles. O poderoso telescópio espacial também detectou ventos fortes com velocidades de 800 a 1000 km/s-1 perto do buraco negro, outro resultado dos processos envolvidos na acreção ativa de buracos negros. (Algumas galáxias raras com formação de estrelas também podem produzir ventos poderosos, mas apresentam menos ionização.)
“A NIRCam (Near-Infrared Camera) de Webb revelou um componente estendido, traçando a galáxia hospedeira, e uma fonte central e compacta cujas cores são consistentes com as de um disco de acreção em torno de um buraco negro”, disse a investigadora Hannah Übler, também do Laboratório Cavendish e Instituto Kavli.
Não parece haver muitas dúvidas de que o GN-z11 tem um buraco negro e seu disco de acreção no centro. Mas o facto de a extrema luminosidade desta galáxia ser alimentada por um buraco negro levanta questões interessantes. Tem a ver com sementes de buraco negro e com a taxa de Eddington.
Os cientistas pensam que os buracos negros no Universo primitivo poderiam ter-se formado de forma diferente dos buracos negros de massa estelar, que se formam quando uma estrela colapsa sob a sua própria gravidade. Em vez disso, estes antigos buracos negros formaram-se a partir de sementes, coleções de matéria suficientemente massivas para colapsar diretamente em buracos negros. Pode haver sementes de buracos negros grandes, intermediários e pequenos. Os pesquisadores por trás desses resultados escrevem que o buraco negro está “… acumulando cerca de cinco vezes a taxa de Eddington. Essas propriedades são consistentes tanto com cenários de sementes pesadas quanto com cenários que consideram sementes intermediárias e leves experimentando fases episódicas de super-Eddington.”
A taxa de Eddington é a taxa na qual um buraco negro precisa acumular matéria para atingir o limite de Eddington. O limite de Eddington é a luminosidade máxima que um objeto pode atingir enquanto sua força de radiação externa é igual à sua força de gravidade interna.
Mas os buracos negros podem exceder o limite de Eddington durante episódios de super-Eddington. Esses episódios podem explicar a rápida formação de buracos negros supermassivos (SMBHs) nos primeiros mil milhões de anos do Universo. Os episódios de Super-Eddington estão associados à acreção radiativamente ineficiente e são frequentemente acompanhados por poderosos ventos e jatos.
Se os pesquisadores estiverem corretos, então eles descobriram o mistério por trás desta galáxia extremamente antiga e luminosa. “Nossa descoberta explica a alta luminosidade do GN-z11…”, escrevem os autores.
Nota: A pesquisa sobre o aglomerado de gás primitivo no halo do GN-z11 foi aceita para publicação na Astronomy & Astrophysics. Os resultados do estudo do buraco negro GN-z11 foram publicados na revista Nature em 17 de janeiro de 2024.
Fonte: InfoMoney
