Os astrônomos descobriram que os buracos negros nos centros das primeiras galáxias são muito mais massivos do que o esperado. Estes buracos negros surpreendentemente robustos oferecem novas informações sobre as origens de todos os buracos negros supermassivos, bem como sobre os estágios iniciais da vida da sua galáxia hospedeira.
Em galáxias próximas e maduras como a nossa Via Láctea, a massa total das estrelas supera largamente a massa do grande buraco negro encontrado no centro da galáxia em cerca de 1.000 para 1. Nas galáxias distantes recém-descobertas, no entanto, essa diferença de massa cai para 100 ou 10 para 1, e até 1 para 1, o que significa que o buraco negro pode igualar a massa combinada das estrelas de sua galáxia hospedeira.
Esta imagem de buracos negros inesperadamente massivos em galáxias emergentes vem do Telescópio Espacial James Webb (JWST), o mais recente observatório emblemático da NASA. Até o James Webb, lançado no final de 2021, os astrônomos eram geralmente limitados nos seus estudos de buracos negros distantes a quasares estupendamente brilhantes, compostos por buracos negros monstruosos devoradores de matéria que ofuscavam completamente as estrelas nas suas galáxias hospedeiras.
“Com o JWST, podemos agora finalmente observar buracos negros de menor massa, mas ainda assim supermassivos, em galáxias pequenas e distantes, e também podemos ver as estrelas nestas galáxias hospedeiras”, diz Fabio Pacucci, Clay Fellow do Center for Astrophysics. | Harvard & Smithsonian (CfA). “Isto permite-nos estudar, pela primeira vez, os primeiros buracos negros e as suas galáxias hospedeiras à medida que evoluem em conjunto.”
Pacucci é o autor principal de um novo estudo publicado no The Astrophysical Journal Letters que relata as descobertas, e apresentou estes resultados na 243ª reunião da Sociedade Astronômica Americana em Nova Orleans, LA.
“Aprendemos que galáxias jovens e distantes violam a relação entre a massa dos buracos negros e a massa estelar, que está muito bem estabelecida em galáxias próximas e maduras: estes buracos negros primitivos são, sem dúvida, muito massivos em relação à população estelar dos seus hospedeiros,” diz Roberto Maiolino, professor da Universidade de Cambridge (Reino Unido) e coautor do estudo. “Com o James Webb, será possível identificar com precisão como se formaram os primeiros buracos negros supermassivos, encontrando buracos negros mais distantes e mais pequenos do que os encontrados até agora, e que o nosso estudo prevê serem bastante abundantes.”
Para o estudo, Pacucci e colegas realizaram uma análise estatística de um conjunto de 21 galáxias, variando entre 12 e 13 bilhões de anos-luz de distância, e observadas através de três pesquisas publicadas.
Estas 21 galáxias abrigam buracos negros centrais com massas típicas estimadas em dezenas ou centenas de milhões de vezes a do nosso Sol – ainda supermassivas, mas comparativamente insignificantes perto dos buracos negros que alimentam a maioria dos quasares distantes observados até hoje, que possuem bilhões de vezes a massa do Sol.
“No geral, vemos que os buracos negros nas galáxias jovens observadas pelo James Webb são cerca de dez a cem vezes mais massivos do que a relação de escala no universo local prevê”, diz Xiaohui Fan, professor da Universidade do Arizona, e co-autor do estudo. “A proporção entre a massa estelar e a massa dos buracos negros nas primeiras galáxias era muito menor naquela época, há mais de uma dúzia de mil milhões de anos, em comparação com agora. Este resultado tem implicações importantes para o estudo da primeira população de buracos negros.”
Estimar com precisão esta proporção deve ajudar a indicar como os precursores dos buracos negros supermassivos – apelidados de sementes de buracos negros – se originaram. Em termos gerais, os astrônomos esboçaram dois caminhos principais: sementes “leves” ou “pesadas”.
As sementes leves de buracos negros teriam massa relativamente baixa, cerca de 100 a 1.000 vezes a massa do Sol. Essas sementes leves teriam se formado como remanescentes das primeiras estrelas colossais do universo. Na outra extremidade, as sementes de buracos negros pesados teriam começado em torno de 10.000 a 100.000 massas solares. Essas sementes pesadas surgiram teoricamente do colapso gravitacional direto de nuvens de gás titânicas.
A rota das sementes pesadas, ao preparar o terreno para o crescimento a partir de um ponto de partida muito mais elevado, deverá facilitar a formação oportuna dos primeiros buracos negros supermassivos que a equipe de pesquisadores descobriu nos últimos vinte anos a distâncias progressivamente maiores. As novas descobertas sobre buracos negros supermassivos dão credibilidade à ideia da semente pesada, porque simulações e cálculos teóricos desta via preveem que os buracos negros deveriam ser aproximadamente tão massivos ou até mais massivos que a componente estelar das galáxias jovens em que vivem.
Como as galáxias tomaram forma e co-evoluíram em torno das sementes primitivas do buraco negro permanece uma questão astrofísica em aberto. Os buracos negros cresceram principalmente através da absorção de gás ou através de fusões com outros buracos negros? E a massa estelar cresceu principalmente dentro da galáxia ou foram necessárias fusões com outras galáxias maiores? Pacucci e esta equipe esperam que as respostas comecem a se materializar, porém, com estudos adicionais do James Webb.
“Ao longo do tempo cósmico, sabemos que a proporção entre a massa estelar e a massa do buraco negro alcança progressivamente a proporção local de 1.000 para 1 do universo moderno. Isso acontece à medida que o buraco negro e seu sistema galáctico hospedeiro evoluem juntos, fundindo-se com outras galáxias e formando legiões de estrelas”, diz Pacucci. “Aquilo em que ainda estamos trabalhando é ver profundamente o universo para entender como tudo isso começou.”
Publicado em Phys.Org
