Analisando imagens do Telescópio Espacial James Webb (JWST), um grupo de astrônomos liderado pelo Dr. Lukas Furtak e pelo Prof. Adi Zitrin da Universidade Ben-Gurion do Negev detectou um buraco negro supermassivo extremamente vermelho e com lentes gravitacionais no início do universo. . As suas cores sugerem que o buraco negro se encontra por trás de um espesso véu de poeira que obscurece grande parte da sua luz. A equipe conseguiu medir a massa do buraco negro e descobriu que ele era significativamente mais massivo, em comparação com a sua galáxia hospedeira, do que o que foi visto em mais exemplos locais.



A descoberta foi publicada na Nature .

O JWST, lançado há dois anos, revolucionou a nossa visão da formação inicial de galáxias. Isto levou à detecção de galáxias muito antigas com maior abundância e maior brilho do que o previsto anteriormente, e revelou alguns novos tipos de objetos.

O grupo de astrônomos detectou nas imagens do JWST o que parecia ser um objeto semelhante a um quasar, com lentes, do universo primitivo. Quasares são núcleos galácticos ativos e brilhantes:buracos negros supermassivos nos centros das galáxias que estão ativamente acumulando material.

A acreção de material no buraco negro emite grandes quantidades de radiação que ofusca a galáxia hospedeira, levando a uma aparência compacta e brilhante, semelhante a uma estrela. As imagens do JWST nas quais Furtak e Zitrin identificaram o objeto foram obtidas para o programa UNCOVER, que obteve imagens do campo de um aglomerado de galáxias, Abell 2744, a uma profundidade sem precedentes.

Como o aglomerado contém grandes quantidades de massa, ele curva o espaço-tempo – ou os caminhos dos raios de luz que viajam perto dele – criando efetivamente uma lente gravitacional. A lente gravitacional amplia as galáxias de fundo atrás dela e permite aos astrônomos observar galáxias ainda mais distantes do que seria possível de outra forma.

"Ficamos muito entusiasmados quando o JWST começou a enviar seus primeiros dados. Estávamos escaneando os dados que chegaram para o programa UNCOVER e três objetos muito compactos, mas com flores vermelhas, se destacaram e chamaram nossa atenção", diz o Dr. Lukas Furtak, pós-doutorado pesquisador da BGU e autor principal dos artigos de descoberta. "A sua aparência de 'ponto vermelho' levou-nos imediatamente a suspeitar que se tratava de um objeto semelhante a um quasar."

Furtak e o grupo UNCOVER começaram a investigar o objeto. "Usamos um modelo numérico de lente que construímos para o aglomerado de galáxias para determinar que os três pontos vermelhos tinham que ser imagens múltiplas da mesma fonte de fundo, vista quando o universo tinha apenas 700 milhões de anos", diz o Prof. , astrônomo da BGU e um dos principais autores dos artigos de descoberta.

"A análise das cores do objeto indicou que não era uma típica galáxia de formação estelar. Isto apoiou ainda mais a hipótese do buraco negro supermassivo," afirma a Prof. Rachel Bezanson, da Universidade de Pittsburgh e co-líder do programa UNCOVER. “Juntamente com o seu tamanho compacto, tornou-se evidente que se tratava provavelmente de um buraco negro supermassivo, embora ainda fosse diferente de outros quasares encontrados naquela época”, acrescentou o Prof. A descoberta do objeto exclusivamente vermelho e compacto foi publicada no ano passado no Astrophysical Journal . Mas isso foi apenas o começo da história.

A equipe então adquiriu dados JWST/NIRSpec das três imagens do “ponto vermelho” e analisou os dados. "Os espectros eram simplesmente alucinantes", diz o Prof. Ivo Labbé, da Swinburne University of Technology e co-líder do programa UNCOVER, "Ao combinar o sinal das três imagens com a ampliação da lente, o espectro resultante é equivalente a aproximadamente 1.700 horas de observação pelo JWST em um objeto sem lente, tornando-o o espectro mais profundo que o JWST obteve para um único objeto no universo primitivo."

“Usando os espectros, conseguimos não só confirmar que o objeto compacto vermelho era um buraco negro supermassivo e medir o seu desvio para o vermelho exato, mas também obter uma estimativa sólida da sua massa a partir da largura das suas linhas de emissão”, diz o autor principal, Dr. Furtak. "O gás está orbitando no campo gravitacional do buraco negro e atinge velocidades muito altas que não são vistas em outras partes das galáxias. Por causa do deslocamento Doppler, a luz emitida pelo material de acreção é desviada para o vermelho de um lado e desviada para o azul por outro lado, de acordo com a sua velocidade, isso faz com que as linhas de emissão no espectro se tornem mais amplas."

Mas a medição trouxe ainda outra surpresa:a massa do buraco negro parece ser excessivamente elevada em comparação com a massa da galáxia hospedeira.

"Toda a luz dessa galáxia deve caber dentro de uma região minúscula do tamanho de um aglomerado estelar atual. A ampliação da lente gravitacional da fonte nos deu limites requintados de tamanho. Mesmo agrupando todas as estrelas possíveis em uma região tão pequena, o buraco negro acaba representando pelo menos 1% da massa total do sistema", diz a professora Jenny Greene, da Universidade de Princeton e uma das principais autoras do artigo recente.

"De facto, descobriu-se agora que vários outros buracos negros supermassivos no Universo primitivo apresentam um comportamento semelhante, o que leva a algumas visões intrigantes do crescimento do buraco negro e da galáxia hospedeira, e da interação entre eles, que não é bem compreendida."

Os astrónomos não sabem se esses buracos negros supermassivos crescem, por exemplo, a partir de restos estelares, ou talvez de material que colapsou diretamente em buracos negros no Universo primitivo.

“De certa forma, é o equivalente astrofísico do problema do ovo e da galinha”, diz o Prof. "Atualmente não sabemos o que veio primeiro:a galáxia ou o buraco negro, qual a massa dos primeiros buracos negros e como cresceram."

Como muitos outros “pequenos pontos vermelhos” e outros núcleos galácticos ativos foram detectados recentemente com o JWST, esperamos ter uma ideia melhor em breve.

Mais informações: Lukas J. Furtak et al, Um buraco negro elevado para uma proporção de massa hospedeira em um AGN com lente no Universo primitivo, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07184-8
Fornecido pela Universidade Ben-Gurion do Negev