Buracos negros gigantes deveriam ser pequenos atores na história cósmica inicial. Mas observações recentes do Telescópio Espacial James Webb estão encontrando uma abundância inesperada de feras.
O jovem cosmos é o lar de uma população misteriosamente grande de galáxias tempestuosas com grandes buracos negros em seus núcleos.
Anos antes de ter certeza de que o Telescópio Espacial James Webb seria lançado com sucesso, Christina Eilers começou a planejar uma conferência para astrônomos especializados no início do universo. Ela sabia que se – de preferência, quando – o James Webb começasse a fazer observações, ela e seus colegas teriam muito o que conversar. Como uma máquina do tempo, o telescópio podia ver mais longe e mais longe no passado do que qualquer instrumento anterior.
Felizmente para Eilers (e para o resto da comunidade astronômica), seu planejamento não foi em vão: o James Webb foi lançado e implantado sem problemas, depois começou a examinar o início do universo a sério de seu poleiro no espaço a um milhão de milhas de distância.
Em meados de junho, cerca de 150 astrônomos se reuniram no Instituto de Tecnologia de Massachusetts para a conferência James Webb “First Light” de Eilers. Não se passou um ano desde que o James Webb começou a enviar imagens de volta à Terra. E assim como Eilers havia previsto, o telescópio já estava remodelando a compreensão dos astrônomos sobre o primeiro bilhão de anos do cosmos.
Um conjunto de objetos enigmáticos se destacou na miríade de apresentações. Alguns astrônomos os chamavam de “monstrinhos escondidos”. Para outros, eram “pequenos pontos vermelhos”. Mas seja qual for o nome, os dados eram claros: quando o James Webb observa galáxias jovens – que aparecem como meras manchas vermelhas na escuridão – ele vê um número surpreendente com ciclones se agitando em seus centros.
“Parece haver uma população abundante de fontes que não conhecíamos”, disse Eilers, astrônomo do MIT, “que não esperávamos encontrar”.
Nos últimos meses, uma torrente de observações das manchas cósmicas encantou e confundiu os astrônomos.
“Todo mundo está falando sobre esses pequenos pontos vermelhos”, disse Xiaohui Fan, pesquisador da Universidade do Arizona que passou sua carreira procurando por objetos distantes no início do universo.
A explicação mais direta para as galáxias com coração de tornado é que grandes buracos negros pesando milhões de sóis estão levando as nuvens de gás a um frenesi. Essa descoberta é esperada e desconcertante. É esperado porque o James Webb foi construído, em parte, para encontrar os objetos antigos.
Eles são os ancestrais dos buracos negros gigantes de bilhões de sóis que parecem aparecer no registro cósmico inexplicavelmente cedo. Ao estudar esses buracos negros precursores, como três jovens recordes descobertos este ano, os cientistas esperam aprender de onde vieram os primeiros buracos negros gigantescos e talvez identificar qual das duas teorias concorrentes melhor descreve sua formação: eles cresceram extremamente rápido ou eles simplesmente nasceram grandes?
No entanto, as observações também são desconcertantes porque poucos astrônomos esperavam que o James Webb encontrasse tantos buracos negros jovens e famintos – e as pesquisas estão revelando-os às dúzias. No processo de tentar resolver o antigo mistério, os astrônomos descobriram uma multidão de buracos negros volumosos que podem reescrever as teorias estabelecidas de estrelas, galáxias e muito mais.
“Como teórica, tenho que construir um universo”, disse Marta Volonteri, astrofísica especializada em buracos negros no Instituto de Astrofísica de Paris. Volonteri e seus colegas agora estão enfrentando o influxo de buracos negros gigantes no cosmos primitivo. “Se eles são [reais], eles mudam completamente a imagem.”
Uma Máquina do Tempo Cósmica
As observações do James Webb estão abalando a astronomia em parte porque o telescópio pode detectar a luz que atinge a Terra de mais fundo no espaço do que qualquer máquina anterior.
Construímos este telescópio absurdamente poderoso ao longo de 20 anos.
Grant Tremblay, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
“Construímos este telescópio absurdamente poderoso ao longo de 20 anos”, disse Grant Tremblay, astrofísico do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. “O objetivo original era olhar profundamente no tempo cósmico.”
Um dos objetivos da missão é capturar as galáxias em formação durante o primeiro bilhão de anos do universo (de sua história de aproximadamente 13,8 bilhões de anos). As observações iniciais do telescópio no verão passado sugeriram um universo jovem cheio de galáxias surpreendentemente maduras, mas as informações que os astrônomos puderam extrair dessas imagens eram limitadas.
Para realmente entender o início do universo, os astrônomos precisavam de mais do que apenas as imagens; eles ansiavam pelos espectros dessas galáxias – os dados que chegam quando o telescópio divide a luz recebida em matizes específicos.
Os espectros galácticos, que o James Webb começou a enviar de volta no final do ano passado, são úteis por dois motivos.
Primeiro, eles permitiram que os astrônomos determinassem a idade da galáxia. A luz infravermelha que o James Webb coleta é avermelhada ou desviada para o vermelho, o que significa que, à medida que atravessa o cosmos, seus comprimentos de onda são esticados pela expansão do espaço. A extensão desse desvio para o vermelho permite que os astrônomos determinem a distância de uma galáxia e, portanto, quando ela originalmente emitiu sua luz. Galáxias próximas têm um redshift de quase zero.
O James Webb pode facilmente distinguir objetos além de um desvio para o vermelho de 5, o que corresponde a aproximadamente 1 bilhão de anos após o Big Bang. Objetos com desvios para o vermelho mais altos são significativamente mais velhos e mais distantes.
Em segundo lugar, os espectros dão aos astrônomos uma noção do que está acontecendo em uma galáxia. Cada matiz marca uma interação entre fótons e átomos específicos (ou moléculas). Uma cor se origina de um átomo de hidrogênio piscando ao se estabilizar após uma colisão; outro indica átomos de oxigênio empurrados e outro nitrogênio. Um espectro é um padrão de cores que revela do que uma galáxia é feita e o que esses elementos estão fazendo, e o James Webb está fornecendo esse contexto crucial para galáxias em distâncias sem precedentes.
“Demos um salto tão grande”, disse Aayush Saxena, astrônomo da Universidade de Oxford. O fato de que “estamos falando sobre a composição química das galáxias redshift 9 é absolutamente notável”.
(O Redshift 9 é incrivelmente distante, correspondendo a uma época em que o universo tinha apenas 0,55 bilhão de anos.)
Os espectros galácticos também são ferramentas perfeitas para encontrar um dos principais perturbadores dos átomos: buracos negros gigantes que se escondem no coração das galáxias. Os próprios buracos negros são escuros, mas quando se alimentam de gás e poeira, eles rasgam os átomos, fazendo-os emitir cores reveladoras. Muito antes do lançamento do James Webb, os astrofísicos esperavam que o telescópio os ajudasse a identificar esses padrões e encontrar o suficiente dos maiores e mais ativos buracos negros do universo inicial para resolver o mistério de como eles se formaram.
Muito grande, muito cedo
O mistério começou há mais de 20 anos, quando uma equipe liderada por Fan avistou uma das galáxias mais distantes já observadas – um quasar brilhante, ou uma galáxia ancorada em um buraco negro supermassivo ativo pesando talvez bilhões de sóis. Tinha um desvio para o vermelho de 5, correspondendo a cerca de 1,1 bilhão de anos após o Big Bang. Com mais varreduras do céu, Fan e seus colegas quebraram repetidamente seus próprios recordes, empurrando a fronteira do redshift do quasar para 6 em 2001 e eventualmente para 7,6 em 2021 – apenas 0,7 bilhão de anos após o Big Bang.
O problema era que fazer buracos negros tão gigantescos parecia impossível tão cedo na história cósmica.
Como qualquer objeto, os buracos negros levam tempo para crescer e se formar. E como uma criança de 6 pés de altura, os enormes buracos negros de Fan eram grandes demais para sua idade – o universo não tinha idade suficiente para eles acumularem bilhões de sóis de peso. Para explicar essas crianças crescidas demais, os físicos foram forçados a considerar duas opções desagradáveis.
A primeira foi que as galáxias de Fan começaram cheias de buracos negros padrão, aproximadamente de massa estelar, do tipo que as supernovas costumam deixar para trás. Esses então cresceram tanto por fusão quanto por absorção de gás e poeira ao redor. Normalmente, se um buraco negro se alimenta de forma agressiva o suficiente, um derramamento de radiação afasta seus pedaços. Isso interrompe o frenesi de alimentação e estabelece um limite de velocidade para o crescimento do buraco negro que os cientistas chamam de limite de Eddington.
Mas é um teto macio: uma torrente constante de poeira poderia superar o derramamento de radiação. No entanto, é difícil imaginar sustentar esse crescimento “super-Eddington” por tempo suficiente para explicar as feras de Fan – eles teriam que crescer de forma impensável.
Ou talvez os buracos negros possam nascer de um tamanho improvável. Nuvens de gás no início do universo podem ter colapsado diretamente em buracos negros pesando muitos milhares de sóis – produzindo objetos chamados de sementes pesadas. Este cenário também é difícil de engolir, porque nuvens de gás tão grandes e irregulares devem se fraturar em estrelas antes de formar um buraco negro.
Uma das prioridades do James Webb é avaliar esses dois cenários olhando para o passado e capturando os ancestrais mais fracos das galáxias de Fan. Esses precursores não seriam quasares, mas galáxias com buracos negros um pouco menores a caminho de se tornarem quasares. Com o James Webb, os cientistas têm a melhor chance de detectar buracos negros que mal começaram a crescer – objetos que são jovens e pequenos o suficiente para que os pesquisadores determinem seu peso ao nascer.
Essa é uma das razões pelas quais um grupo de astrônomos do Cosmic Evolution Early Release Science Survey, ou CEERS, liderado por Dale Kocevski, do Colby College, começou a trabalhar horas extras quando notou pela primeira vez sinais de tais jovens buracos negros aparecendo nos dias seguintes ao Natal.
“É impressionante quantos deles existem”, escreveu Jeyhan Kartaltepe, astrônomo do Instituto de Tecnologia de Rochester, durante uma discussão no Slack.
“Muitos monstrinhos escondidos”, respondeu Kocevski.
Uma Multidão Crescente de Monstros
Nos espectros do CEERS, algumas galáxias imediatamente se destacaram como potencialmente escondendo bebês buracos negros – os monstrinhos. Ao contrário de seus irmãos mais baunilhados, essas galáxias emitiam luz que não chegava com apenas um tom nítido para o hidrogênio.
Em vez disso, a linha de hidrogênio foi manchada, ou ampliada, em uma gama de tons, indicando que algumas ondas de luz foram esmagadas quando nuvens de gás em órbita aceleraram em direção ao James Webb (assim como uma ambulância que se aproxima emite um gemido crescente quando as ondas sonoras de sua sirene são comprimidas), enquanto outras as ondas foram esticadas enquanto as nuvens voavam. Kocevski e seus colegas sabiam que os buracos negros eram praticamente o único objeto capaz de lançar hidrogênio dessa maneira.
“A única maneira de ver o componente amplo do gás orbitando o buraco negro é se você estiver olhando diretamente para o barril da galáxia e diretamente para o buraco negro”, disse Kocevski.
No final de janeiro, a equipe do CEERS conseguiu produzir uma pré-impressão descrevendo dois dos “monstrinhos ocultos”, como eles os chamavam. Em seguida, o grupo começou a estudar sistematicamente uma faixa mais ampla das centenas de galáxias coletadas por seu programa para ver quantos buracos negros havia lá fora.
Mas eles foram derrotados por outra equipe, liderada por Yuichi Harikane, da Universidade de Tóquio, apenas algumas semanas depois. O grupo de Harikane pesquisou 185 das galáxias mais distantes do CEERS e encontrou 10 com amplas linhas de hidrogênio – o provável trabalho de buracos negros centrais de um milhão de massas solares em desvios para o vermelho entre 4 e 7.
Então, em junho, uma análise de duas outras pesquisas lideradas por Jorryt Matthee, do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique, identificou mais 20 “pequenos pontos vermelhos” com amplas linhas de hidrogênio: buracos negros girando em torno do desvio para o vermelho 5. Uma análise publicada no início de agosto anunciou mais uma dúzia, algumas das quais podem até estar em processo de crescendo por fusão.
“Estou esperando por essas coisas há tanto tempo”, disse Volonteri. “Tem sido incrível.”
Mas poucos astrônomos previram o grande número de galáxias com um grande buraco negro ativo. Os quasares bebês no primeiro ano de observações do James Webb são mais numerosos do que os cientistas previram com base no censo de quasares adultos – entre 10 e 100 vezes mais abundantes.
“É surpreendente para um astrônomo que estejamos errados em uma ordem de magnitude ou até mais”, disse Eilers, que contribuiu para o artigo sobre pequenos pontos vermelhos.
“Sempre parecia que, em alto desvio para o vermelho, esses quasares eram apenas a ponta do iceberg”, disse Stéphanie Juneau, astrônoma do NOIRLab da National Science Foundation e coautora do artigo sobre os pequenos monstros. “Podemos descobrir que, por baixo, essa população [mais fraca] é ainda maior do que apenas o iceberg normal”.
Estes dois vão para quase 11
Mas, para vislumbrar as feras em sua infância, os astrônomos sabem que terão que ir muito além dos desvios para o vermelho de 5 e olhar mais profundamente nos primeiros bilhões de anos do universo. Recentemente, várias equipes detectaram buracos negros se alimentando a distâncias verdadeiramente sem precedentes.
Em março, uma análise do CEERS liderada por Rebecca Larson, astrofísica da Universidade do Texas, Austin, descobriu uma ampla linha de hidrogênio em uma galáxia com um desvio para o vermelho de 8,7 (0,57 bilhão de anos após o Big Bang), estabelecendo um novo recorde para a maioria buraco negro ativo distante já descoberto.
Mas o recorde de Larson caiu apenas alguns meses depois, depois que os astrônomos com a colaboração JADES (James Webb Advanced Deep Extragalactic Survey) colocaram as mãos no espectro do GN-z11. No redshift 10.6, o GN-z11 estava na borda mais fraca da visão do Telescópio Espacial Hubble, e os cientistas estavam ansiosos para estudá-lo com olhos mais aguçados. Em fevereiro, o James Webb passou mais de 10 horas observando o GN-z11, e os pesquisadores perceberam imediatamente que a galáxia era estranha.
Sua abundância de nitrogênio estava “completamente fora de controle”, disse Jan Scholtz, membro do JADES na Universidade de Cambridge. Ver tanto nitrogênio em uma galáxia jovem foi como encontrar uma criança de 6 anos com uma sombra de cinco horas, especialmente quando o nitrogênio foi comparado aos escassos estoques de oxigênio da galáxia, um átomo mais simples que as estrelas deveriam se reunir primeiro.
A colaboração do JADES seguiu com outras 16 ou mais horas de observação do James Webb no início de maio. Os dados adicionais aguçaram o espectro, revelando que dois tons visíveis de nitrogênio eram extremamente desiguais – um brilhante e outro fraco. O padrão, disse a equipe, indicava que o GN-z11 estava cheio de densas nuvens de gás concentradas por uma força gravitacional assustadora.
“Foi quando percebemos que estávamos olhando diretamente para o disco de acreção do buraco negro”, disse Scholtz. Esse alinhamento fortuito explica por que a galáxia distante era brilhante o suficiente para o Hubble ver em primeiro lugar.
Buracos negros extremamente jovens e famintos como o GN-z11 são os objetos exatos que os astrofísicos esperavam que resolvessem o dilema de como os quasares de Fan surgiram. Mas, em uma reviravolta, nem mesmo o superlativo GN-z11 é jovem ou pequeno o suficiente para que os pesquisadores determinem conclusivamente sua massa de nascimento.
“Precisamos começar a detectar massas de buracos negros com um desvio para o vermelho muito maior do que 11”, disse Scholtz. “Eu não tinha ideia de que diria isso há um ano, mas aqui estamos nós.”
Uma pitada de peso
Até então, os astrônomos estão recorrendo a truques mais sutis para encontrar e estudar buracos negros recém-nascidos, truques como telefonar para um amigo – ou outro telescópio espacial emblemático – para obter ajuda.
No início de 2022, uma equipe liderada por Ákos Bogdán, astrônomo do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, começou a apontar periodicamente o Observatório de Raios-X Chandra da NASA para um aglomerado de galáxias que eles sabiam que estaria na lista curta do James Webb.
O cluster age como uma lente. Ele dobra o tecido do espaço-tempo e amplia as galáxias mais distantes atrás dele. A equipe queria ver se alguma dessas galáxias de fundo estava cuspindo raios-X, um cartão de visita tradicional de um buraco negro voraz.
Ao longo de um ano, o Chandra olhou para as lentes cósmicas por duas semanas – uma de suas campanhas de observação mais longas até agora – e coletou 19 fótons de raios-X vindos de uma galáxia chamada UHZ1, com um desvio para o vermelho de 10,1. Esses 19 fótons de alta octanagem provavelmente vieram de um crescente buraco negro que existiu menos de meio bilhão de anos após o Big Bang, tornando-o de longe a fonte de raios-X mais distante já detectada.
Ao combinar os dados James Webb e Chandra, o grupo aprendeu algo estranho – e informativo. Na maioria das galáxias modernas, quase toda a massa está nas estrelas, com menos de um por cento ou mais no buraco negro central. Mas em UHZ1, a massa parece dividida uniformemente entre as estrelas e o buraco negro – o que não é o padrão que os astrônomos esperariam para a acreção super-Eddington.
Uma explicação mais plausível, sugeriu a equipe, é que o buraco negro central de UHZ1 nasceu quando uma nuvem gigante se transformou em um enorme buraco negro, deixando para trás pouco gás para fazer estrelas. Essas observações “podem ser consistentes com uma semente pesada”, disse Tremblay, que é membro da equipe. É “uma loucura pensar nessas bolas gigantes de gás que simplesmente colapsam”.
É um universo de buraco negro
Algumas das descobertas específicas da corrida louca dos espectros nos últimos meses estão fadadas a mudar à medida que os estudos passam pela revisão por pares. Mas a conclusão geral – de que o jovem universo produziu uma série de buracos negros gigantes e ativos com extrema rapidez – provavelmente sobreviverá. Afinal, os quasares de Fan tinham que vir de algum lugar.
“Os números exatos e os detalhes de cada objeto permanecem incertos, mas é muito convincente que estamos encontrando uma grande população de buracos negros em acreção”, disse Eilers. “O James Webb os revelou pela primeira vez, e isso é muito emocionante.”
Para os especialistas em buracos negros, é uma revelação que vem se formando há anos. Estudos recentes de galáxias adolescentes confusas no universo moderno sugeriram que buracos negros ativos em galáxias jovens estavam sendo negligenciados. E os teóricos têm lutado porque seus modelos digitais produziram continuamente universos com muito mais buracos negros do que os astrônomos viam no universo real.
“Eu sempre disse que minha teoria está errada e a observação está certa, então preciso consertar minha teoria”, disse Volonteri. No entanto, talvez a discrepância não apontasse para um problema com a teoria. “Talvez esses pequenos pontos vermelhos não estivessem sendo contabilizados”, disse ela.
Agora que os buracos negros ardentes estão se tornando mais do que apenas aparições cósmicas em um universo em amadurecimento, os astrofísicos se perguntam se reformular os objetos em papéis teóricos mais carnudos poderia aliviar algumas outras dores de cabeça.
Depois de estudar algumas das primeiras imagens do James Webb, alguns astrônomos rapidamente apontaram que certas galáxias pareciam impossivelmente pesadas, considerando sua juventude. Mas, pelo menos em alguns casos, um buraco negro incrivelmente brilhante pode estar levando os pesquisadores a superestimar o peso das estrelas circundantes.
Outra teoria que pode precisar de ajustes é a taxa na qual as galáxias produzem estrelas, que tende a ser muito alta nas simulações de galáxias. Kocevski especula que muitas galáxias passam por uma fase de monstro oculto que estabelece uma desaceleração na formação de estrelas; eles começam envoltos em poeira de criação de estrelas e, em seguida, seu buraco negro se torna poderoso o suficiente para espalhar o material estelar no cosmos, retardando a formação de estrelas. “Podemos estar olhando para esse cenário em jogo”, disse ele.
À medida que os astrônomos levantam o véu do universo primordial, os palpites acadêmicos superam em número as respostas concretas. Por mais que o James Webb já esteja mudando a forma como os astrônomos pensam sobre os buracos negros ativos, os pesquisadores sabem que as vinhetas cósmicas reveladas pelo telescópio este ano são apenas anedotas em comparação com o que está por vir.
Campanhas de observação como JADES e CEERS encontraram dezenas de prováveis buracos negros olhando para eles de lascas do céu com aproximadamente um décimo do tamanho da lua cheia. Muitos outros buracos negros bebês aguardam a atenção do telescópio e de seus astrônomos.
“Todo esse progresso foi feito nos primeiros nove a 12 meses”, disse Saxena. “Agora temos [James Webb] pelos próximos nove ou 10 anos.”
Fonte: Quantamagazine.org
Nenhum comentário:
Postar um comentário