Uma imagem do Telescópio James Webb mostra o quasar J0148 circulado em vermelho. Duas inserções mostram, na parte superior, o buraco negro central, e na parte inferior, a emissão estelar da galáxia hospedeira. Crédito:Cortesia de Minghao Yue, Anna-Christina Eilers; NASA Os astrônomos do MIT observaram a luz estelar indescritível em torno de alguns dos primeiros quasares do universo. Os sinais distantes, que remontam a mais de 13 mil milhões de anos, desde a infância do Universo, estão revelando pistas sobre como evoluíram os primeiros buracos negros e galáxias.
Quasares são os centros resplandecentes de galáxias ativas, que abrigam um insaciável buraco negro supermassivo em seu núcleo. A maioria das galáxias hospeda um buraco negro central que pode ocasionalmente se alimentar de gás e detritos estelares, gerando uma breve explosão de luz na forma de um anel brilhante à medida que o material gira em direção ao buraco negro.
Os quasares, por outro lado, podem consumir enormes quantidades de matéria durante períodos de tempo muito mais longos, gerando um anel extremamente brilhante e duradouro – tão brilhante, na verdade, que os quasares estão entre os objetos mais luminosos do universo.
Por serem tão brilhantes, os quasares ofuscam o resto da galáxia em que residem. Mas a equipa do MIT conseguiu, pela primeira vez, observar a luz muito mais fraca emitida por estrelas nas galáxias hospedeiras de três quasares antigos.
Com base nesta luz estelar indescritível, os investigadores estimaram a massa de cada galáxia hospedeira, em comparação com a massa do seu buraco negro supermassivo central. Eles descobriram que, para estes quasares, os buracos negros centrais eram muito mais massivos em relação às suas galáxias hospedeiras, em comparação com os seus homólogos modernos.
As descobertas, publicadas hoje no The Astrophysical Journal , pode esclarecer como os primeiros buracos negros supermassivos se tornaram tão massivos, apesar de terem um período de tempo cósmico relativamente curto para crescer. Em particular, os primeiros buracos negros monstruosos podem ter brotado de “sementes” mais massivas do que os buracos negros mais modernos.
“Depois que o universo passou a existir, surgiram buracos negros que consumiram material e cresceram em um tempo muito curto”, diz o autor do estudo, Minghao Yue, pós-doutorado no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT. "Uma das grandes questões é compreender como é que esses buracos negros monstruosos puderam crescer tão grandes e tão rapidamente."
“Estes buracos negros são milhares de milhões de vezes mais massivos que o Sol, numa altura em que o Universo ainda está na sua infância”, diz a autora do estudo Anna-Christina Eilers, professora assistente de física no MIT. "Os nossos resultados implicam que, no Universo primitivo, os buracos negros supermassivos podem ter ganho a sua massa antes das suas galáxias hospedeiras, e as sementes iniciais dos buracos negros poderiam ter sido mais massivas do que são hoje."
Os co-autores de Eilers e Yue incluem o diretor do MIT Kavli, Robert Simcoe, o bolsista do MIT Hubble e pós-doutorado Rohan Naidu, e colaboradores na Suíça, Áustria, Japão e na Universidade Estadual da Carolina do Norte.
Núcleos deslumbrantes
A extrema luminosidade de um quasar tem sido óbvia desde que os astrônomos descobriram os objetos pela primeira vez na década de 1960. Eles presumiram então que a luz do quasar provinha de uma única "fonte pontual" semelhante a uma estrela. Os cientistas designaram os objetos como "quasares", como uma mala de viagem de um objeto "quase estelar".
Desde essas primeiras observações, os cientistas perceberam que os quasares não são, na verdade, de origem estelar, mas emanam da acumulação de buracos negros supermassivos intensamente poderosos e persistentes situados no centro de galáxias que também hospedam estrelas, que são muito mais fracas em comparação com a sua deslumbrante núcleos.
Tem sido extremamente desafiador separar a luz do buraco negro central de um quasar da luz das estrelas da galáxia hospedeira. A tarefa é um pouco como discernir um campo de vaga-lumes em torno de um enorme holofote central. Mas nos últimos anos, os astrônomos tiveram uma chance muito maior de fazê-lo com o lançamento do Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA, que foi capaz de observar tempos mais remotos e com sensibilidade e resolução muito maiores do que qualquer outro existente. observatório.
Em seu novo estudo, Yue e Eilers dedicaram tempo no JWST para observar seis quasares antigos conhecidos, de forma intermitente, desde o outono de 2022 até a primavera seguinte. No total, a equipe coletou mais de 120 horas de observações dos seis objetos distantes.
"O quasar supera a sua galáxia hospedeira em ordens de magnitude. E as imagens anteriores não eram suficientemente nítidas para distinguir a aparência da galáxia hospedeira com todas as suas estrelas," diz Yue. "Agora, pela primeira vez, somos capazes de revelar a luz destas estrelas modelando com muito cuidado as imagens muito mais nítidas desses quasares obtidas pelo JWST."
Um equilíbrio leve
A equipa fez um balanço dos dados de imagem recolhidos pelo JWST de cada um dos seis quasares distantes, que estimaram ter cerca de 13 mil milhões de anos. Esses dados incluíam medições da luz de cada quasar em diferentes comprimentos de onda. Os pesquisadores alimentaram esses dados em um modelo de quanto dessa luz provavelmente vem de uma “fonte pontual” compacta, como o disco de acreção de um buraco negro central, versus uma fonte mais difusa, como a luz das estrelas dispersas ao redor da galáxia hospedeira. .
Através desta modelagem, a equipe separou a luz de cada quasar em dois componentes:a luz do disco luminoso do buraco negro central e a luz das estrelas mais difusas da galáxia hospedeira. A quantidade de luz de ambas as fontes é um reflexo da sua massa total. Os investigadores estimam que, para estes quasares, a relação entre a massa do buraco negro central e a massa da galáxia hospedeira era de cerca de 1:10. Eles perceberam que isto contrastava fortemente com o balanço de massa atual de 1:1.000, no qual os buracos negros formados mais recentemente são muito menos massivos em comparação com as suas galáxias hospedeiras.
"Isto diz-nos algo sobre o que cresce primeiro:é o buraco negro que cresce primeiro e depois a galáxia o alcança? Ou é a galáxia e as suas estrelas que crescem primeiro e dominam e regulam o crescimento do buraco negro?" Eilers explica. "Vemos que os buracos negros no Universo primitivo parecem estar a crescer mais rapidamente do que as suas galáxias hospedeiras. Esta é uma prova provisória de que as sementes iniciais dos buracos negros poderiam ter sido mais massivas naquela altura."
“Deve ter havido algum mecanismo para fazer um buraco negro ganhar massa antes da sua galáxia hospedeira naqueles primeiros mil milhões de anos”, acrescenta Yue. “É a primeira evidência que vemos disso, o que é emocionante.”
