O buraco negro já pesava um bilhão de massas solares quando o universo ainda estava em sua infância
O Telescópio Espacial James Webb observou uma galáxia em um estágio particularmente jovem do universo. Olhando para o passado, ficou claro que a luz da galáxia chamada J1120+0641 demorou quase tanto tempo a chegar à Terra como o universo demorou a desenvolver-se até aos dias de hoje. É inexplicável como o buraco negro no seu centro poderia pesar mais de um bilhão de massas solares naquela época, como mostraram medições independentes. Observações recentes do material nas proximidades do buraco negro deveriam revelar um mecanismo de alimentação particularmente eficiente, mas não encontraram nada de especial. Este resultado é ainda mais extraordinário: pode significar que os astrofísicos entendem menos sobre o desenvolvimento das galáxias do que pensavam. E ainda assim eles não são de forma alguma decepcionantes.
Os primeiros mil milhões de anos de história cósmica representam um desafio: os primeiros buracos negros conhecidos nos centros das galáxias têm massas surpreendentemente grandes. Como eles ficaram tão grandes e tão rapidamente? As novas observações aqui descritas fornecem fortes evidências contra algumas explicações propostas, nomeadamente contra um modo de alimentação ultra-eficaz para os primeiros buracos negros.
Os limites do crescimento de buracos negros supermassivos
As estrelas e as galáxias mudaram enormemente nos últimos 13,8 mil milhões de anos, o tempo de vida do Universo. As galáxias cresceram e adquiriram mais massa, seja consumindo o gás circundante ou (ocasionalmente) fundindo-se umas com as outras. Durante muito tempo, os astrónomos presumiram que os buracos negros supermassivos nos centros das galáxias teriam crescido gradualmente juntamente com as próprias galáxias.
Mas o crescimento dos buracos negros não pode ser arbitrariamente rápido. A matéria que cai em um buraco negro forma um “disco de acreção” rodopiante, quente e brilhante. Quando isto acontece em torno 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 a entrada de matéria adicional.
Como os buracos negros ficaram tão massivos e tão rápidos?
É por isso que os astrónomos ficaram surpresos quando, ao longo dos últimos vinte anos, observações de quasares distantes revelaram buracos negros muito jovens que, no entanto, atingiram massas tão elevadas como 10 mil milhões de massas solares. A luz leva tempo para viajar de um objeto distante até nós, então olhar para objetos distantes significa olhar para um passado distante. Vemos os quasares mais distantes conhecidos tal como eram numa era conhecida como “amanhecer cósmico”, menos de mil milhões de anos após o Big Bang, quando as primeiras estrelas e galáxias se formaram.
Explicar esses primeiros buracos negros massivos é um desafio considerável para os modelos atuais de evolução galáctica. Será que os primeiros buracos negros eram muito mais eficientes na acumulação de gás do que os seus homólogos modernos? Ou será que a presença de poeira poderia afetar as estimativas da massa dos quasares de uma forma que fez os investigadores sobrestimarem as massas dos primeiros buracos negros? Existem inúmeras explicações propostas neste momento, mas nenhuma que seja amplamente aceita.
Um olhar mais atento sobre o crescimento inicial do buraco negro
Decidir quais explicações – se alguma – estão corretas requer uma imagem mais completa dos quasares do que a que estava 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 4.000 vezes mais sensível do que qualquer instrumento anterior.
Instrumentos como o MIRI são construídos por consórcios internacionais, com cientistas, engenheiros e técnicos trabalhando em estreita colaboração. Naturalmente, um consórcio está muito interessado em testar se o seu instrumento funciona tão bem quanto o planejado. Em troca da construção do instrumento, os consórcios normalmente recebem um certo tempo de observação. Em 2019, anos antes do lançamento do JWST, o Consórcio Europeu MIRI decidiu usar parte deste tempo para observar aquele 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 coube à 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 convidado a juntar-se à colaboração do MIRI especificamente para trazer conhecimentos sobre a melhor forma de utilizar o instrumento para estudar o Universo primordial, 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. Constituem o primeiro estudo no infravermelho médio de um quasar no período da alvorada cósmica, apenas 770 milhões de anos após o Big Bang (desvio para o vermelho z=7). A informação não provém 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.
Rastreando 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. A má notícia para aqueles cuja solução preferida para os buracos negros massivos iniciais reside em modos alternativos de crescimento rápido: o toro e, por extensão, o mecanismo de alimentação neste quasar muito antigo, parecem ser os mesmos dos seus homólogos mais modernos. A única diferença é aquela que nenhum modelo de crescimento rápido dos quasares iniciais previu: uma temperatura da poeira um pouco mais alta, cerca de cem Kelvin mais quente do que os 1300 K encontrados para a poeira mais quente em quasares menos distantes.
A parte do espectro de comprimento de onda mais curto, dominada pelas emissões do próprio disco de acreção, mostra que para nós, como 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 dos primeiros buracos negros por causa da poeira adicional também não são a solução.
Os primeiros quasares – chocantemente normais –
A região de linhas largas do quasar, onde aglomerados de gás orbitam o buraco negro a velocidades próximas da velocidade da luz – o que permite deduções sobre a massa do buraco negro e a densidade e ionização da matéria circundante – também parece normal. Por quase todas as propriedades que podem ser deduzidas do espectro, J1120+0641 não é diferente dos quasares posteriores.
-No geral, as novas observações apenas aumentam o mistério: os primeiros quasares eram surpreendentemente normais. Não importa em que comprimentos de onda os observamos, os quasares são quase idênticos em todas as épocas do Universo, diz Bosman. Não apenas os próprios buracos negros supermassivos, mas também os seus mecanismos de alimentação já estavam aparentemente completamente “maduros” quando o Universo tinha apenas 5% da sua idade atual. Ao excluir 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 são “primordiais” ou “com sementes grandes”. Os buracos negros supermassivos não se formaram a partir dos restos das primeiras estrelas, mas cresceram muito rapidamente. Devem ter-se formado precocemente, com massas iniciais de pelo menos cem mil massas solares, presumivelmente através do colapso de enormes nuvens iniciais de gás.
As primeiras galáxias desenvolveram-se no espaço apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang. Mas de onde vem a sua grande diversidade de formas e formatos? Como o espaço como um todo se desenvolveu? Dois grupos parceiros germano-chineses do Instituto Garching Max Planck de Astrofísica estão a estudar a evolução do cosmos primitivo através de observações e simulações: Cheng Li e Guinevere Kauffmann, bem como Liang Gao e Simon White.
