Caça a buracos negros supermassivos no início do universo

Sabe-se que buracos negros supermassivos (SMBHs) – buracos negros com massa superior a um milhão de vezes a do Sol – prevalecem no universo hoje. No entanto, ainda não está claro quando, onde e como se formaram durante os 13,8 bilhões de anos de história cósmica.

Observações nas últimas décadas revelaram que cada galáxia abriga um SMBH no centro e que a massa do buraco negro é quase sempre um milésimo da massa da galáxia hospedeira. Esta estreita relação implica que as galáxias e os SMBHs co-evoluíram juntos. Revelar a origem dos SMBHs é, portanto, crucial não apenas para compreender os próprios SMBHs, mas também para elucidar os processos de formação de galáxias, os principais constituintes do universo visível.

A chave para resolver esta questão reside no universo primitivo, onde o tempo decorrido desde o Big Bang (ou seja, o início do universo) foi inferior a um bilhão de anos. Graças à velocidade finita da luz, podemos olhar para o passado observando o universo distante. Os SMBHs já existiam quando o universo tinha apenas um bilhão de anos ou menos? É possível que um buraco negro adquira uma massa tão grande (excedendo um milhão de massas solares e por vezes atingindo milhares de milhões de massas solares) em tão pouco tempo? Em caso afirmativo, quais são os mecanismos e condições físicas subjacentes?

Para nos aproximarmos da origem dos SMBHs, precisamos observá-los e comparar suas propriedades com as previsões de modelos teóricos. E para fazer isso, primeiro precisamos descobrir onde eles estão no céu.

Usamos o Telescópio Subaru no topo de Maunakea, no Havaí, para o presente estudo. Uma das maiores vantagens do Subaru é a sua capacidade de observação de campo amplo, que é particularmente adequada ao nosso propósito. Como os SMBHs não emitem luz, procurámos uma classe especial chamada “quasares” – SMBHs com periferias brilhantes onde o material que cai liberta energia gravitacional.

Observamos uma ampla área do céu equivalente a 5.000 vezes a lua cheia e descobrimos com sucesso 162 quasares residentes no universo primitivo. Em particular, 22 deles viveram numa época em que o Universo tinha menos de 800 milhões de anos – o período mais antigo em que os quasares foram reconhecidos até à data.

O grande número de quasares que descobrimos permitiu-nos determinar a medida mais fundamental chamada “função de luminosidade”, que descreve a densidade espacial dos quasares em função da energia da radiação. Descobrimos que os quasares estavam se formando muito rapidamente no universo primitivo, enquanto a forma geral da função de luminosidade (exceto a amplitude) permaneceu inalterada ao longo do tempo.

Este comportamento característico da função de luminosidade fornece fortes restrições aos modelos teóricos, que poderiam, em última análise, reproduzir todos os observáveis ​​​​e descrever a origem dos buracos negros supermassivos. Nosso estudo foi publicado no The Astrophysical Journal Letters .

Por outro lado, sabia-se que o universo passou por uma grande transição de fase chamada “reionização cósmica” em seu estágio inicial. Observações anteriores sugerem que todo o espaço intergaláctico foi ionizado neste evento. A fonte da energia de ionização ainda está em debate, sendo a radiação dos quasares considerada uma candidata promissora.

Ao integrar a função de luminosidade acima, descobrimos que os quasares emitem 10 ²⁸ fótons por segundo em uma unidade de volume de 1 ano-luz de lado no universo primitivo . Isto é menos de 1% dos fótons necessários para manter o estado ionizado do espaço intergaláctico naquela época e, portanto, indica que os quasares deram apenas uma pequena contribuição para a reionização cósmica. Outras fontes de energia são extremamente necessárias, as quais, de acordo com outras observações recentes, podem ser a radiação integrada de estrelas quentes massivas na formação de galáxias.