Um grupo de astrônomos, incluindo cientistas da Penn State, anunciou a provável descoberta de um buraco negro altamente obscurecido, existindo apenas 850 milhões de anos após o Big Bang, usando o Observatório de Raios-X Chandra da NASA. Esta é a primeira evidência de um buraco negro encoberto em um momento tão antigo.

Buracos negros supermassivos normalmente crescem puxando material de um disco de matéria circundante. Para o crescimento mais rápido, este processo gera quantidades prodigiosas de radiação em uma região muito pequena ao redor do buraco negro, e produz um brilho extremamente fonte compacta chamada quasar.

Cálculos teóricos indicam que a maior parte do crescimento inicial dos buracos negros ocorre enquanto o buraco negro e o disco são cercados por uma densa nuvem de gás que alimenta o disco com material. Conforme o buraco negro cresce, o gás na nuvem é esgotado até que o buraco negro e seu disco brilhante sejam descobertos.

"É extraordinariamente desafiador encontrar quasares nesta fase encoberta porque grande parte de sua radiação é absorvida e não pode ser detectada pelos instrumentos atuais, "disse Fábio Vito, CAS-CONICYT Fellow da Pontificia Universidad Católica de Chile, quem liderou o estudo, que ele começou como pesquisador de pós-doutorado na Penn State. "Graças ao Chandra e à capacidade dos raios X de penetrar na nuvem que obscurece, achamos que finalmente conseguimos. "

A descoberta resultou de observações de um quasar chamado PSO 167-13, que foi descoberto pela primeira vez por Pan-STARRS, um telescópio de luz óptica no Havaí. As observações ópticas dessas e de outras pesquisas resultaram na detecção de cerca de 200 quasares já brilhando intensamente quando o universo tinha menos de um bilhão de anos, ou cerca de 8 por cento de sua idade atual. Essas pesquisas só foram consideradas eficazes para encontrar buracos negros não obscurecidos, porque a radiação que detectam é suprimida até por nuvens finas de gás e poeira ao redor. Portanto, esperava-se que o PSO 167-13 não fosse obscurecido.

A equipe de Vito foi capaz de testar essa ideia fazendo observações do Chandra de PSO 167-13 e nove outros quasares descobertos com pesquisas ópticas. Após 16 horas de observação, apenas três fótons de raios-X foram detectados a partir de PSO 167-13, todos com energias relativamente altas. Os raios-X de baixa energia são mais facilmente absorvidos do que os de alta energia, então, a explicação provável para a observação do Chandra é que o quasar é altamente obscurecido por gás, permitindo que apenas raios X de alta energia sejam detectados.

"Esta foi uma surpresa completa, "disse o co-autor Niel Brandt, Verne M. Willaman Professor de Astronomia e Astrofísica e professor de física na Penn State. "Era como se estivéssemos esperando uma mariposa, mas em vez disso víssemos um casulo. Nenhum dos outros nove quasares que observamos estava encoberto, que é o que antecipamos. "

Uma reviravolta interessante para PSO 167-13 é que a galáxia que hospeda o quasar tem uma galáxia companheira próxima visível em dados previamente obtidos com o Atacama Large Millimeter Array (ALMA) de antenas de rádio no Chile e o telescópio espacial Hubble da NASA. Por causa de sua separação próxima e da fraqueza da fonte de raios-X, a equipe não foi capaz de determinar se a emissão de raios-X recém-descoberta está associada ao quasar PSO 167-13 ou à galáxia companheira.

Se os raios X vierem do quasar conhecido, então os astrônomos precisam desenvolver uma explicação para por que o quasar parecia altamente obscurecido em raios-X, mas não em luz óptica. Uma possibilidade é que tenha ocorrido um grande e rápido aumento no obscurecimento do quasar durante os 3 anos entre quando as observações ópticas e de raios-X foram feitas.

Por outro lado, se, em vez disso, os raios-X surgirem da galáxia companheira, então ele representa a detecção de um novo quasar nas proximidades do PSO 167-13. Este par de quasares seria o mais distante já detectado, quebrando o recorde de 1,2 bilhão de anos após o Big Bang. Em qualquer um desses dois casos, o quasar detectado por Chandra seria o mais distante encoberto já visto. O detentor do recorde anterior é observado 1,3 bilhões de anos após o Big Bang. Os autores planejam fazer uma caracterização mais refinada da fonte com observações de acompanhamento.

"Com uma observação mais longa do Chandra, seremos capazes de obter uma estimativa melhor de quão obscurecido este buraco negro está, "disse o co-autor Franz Bauer, também da Pontificia Universidad Católica de Chile e ex-pesquisador de pós-doutorado em Penn State, "e fazer uma identificação confiável da fonte de raios-X com o quasar conhecido ou a galáxia companheira."

Os autores também planejam pesquisar mais exemplos de buracos negros altamente obscurecidos.

"Suspeitamos que a maioria dos buracos negros supermassivos no início do universo está encoberta:então, é crucial detectá-los e estudá-los para entender como eles podem atingir massas de um bilhão de sóis tão rapidamente, "disse o co-autor Roberto Gilli do INAF em Bolonha, Itália.

Um artigo descrevendo esses resultados aparece online em 8 de agosto na revista Astronomia e Astrofísica . O Marshall Space Flight Center da NASA gerencia o programa Chandra. O Chandra X-ray Center do Smithsonian Astrophysical Observatory controla a ciência e as operações de voo de Cambridge, MA. Os dados utilizados nesta pesquisa foram coletados usando o Advanced CCD Imaging Spectrometer no Chandra, um instrumento concebido e desenhado por uma equipe liderada por Penn State Evan Pugh Professor Emérito de Astronomia e Astrofísica Gordon Garmire.

Além de Vito, Brandt, e Bauer, a equipe de pesquisa também inclui o ex-pesquisador de pós-doutorado da Penn State Ohad Shemmer, Cristian Vignali, e Bin Luo, que também obteve seu doutorado na Penn State.