Telescópio espacial James Webb descobre buraco negro mais antigo e distante já visto

Astronomia Ciência

O buraco negro voraz que existiu apenas 400 milhões de anos após o Big Bang pode ajudar a explicar como os buracos negros supermassivos cresceram tão rapidamente.

A galáxia GN-z11 vista pelo telescópio espacial Hubble e uma ilustração de um buraco negro 

Uma equipe de astrônomos usou o Telescópio Espacial James Webb (JWST) para descobrir o buraco negro mais distante e mais antigo já visto enquanto se banqueteia em sua galáxia hospedeira.

A descoberta pode ser um enorme passo para entender como buracos negros supermassivos atingiram massas equivalentes a milhões de bilhões de vezes a do Sol nas primeiras épocas do universo.

O buraco negro habita na antiga galáxia GN-z11, que está a 13,4 bilhões de anos-luz de distância e, portanto, é visto como era apenas 400 milhões de anos após o Big Bang. O buraco negro em si é cerca de 6 milhões de vezes mais massivo que o Sol e parece estar se alimentando de matéria de sua galáxia circundante cinco vezes mais rapidamente do que o limite sugerido é sustentável pelas teorias atuais.

O Departamento de Física da Universidade de Cambridge e líder da equipe, Roberto Maiolino, descreveu a descoberta como “um salto gigante” para a ciência dos buracos negros em um comunicado.

“É muito cedo no universo para ver um buraco negro tão massivo, então temos que considerar outras maneiras de eles se formarem”, disse Maiolino no comunicado. “As primeiras galáxias eram extremamente ricas em gás, então teriam sido como um bufê para buracos negros.”

Os buracos negros supermassivos são comedores excessivos?

O tamanho dos primeiros buracos negros supermassivos que se formaram quando o universo tinha menos de 1 bilhão de anos é um problema para as teorias de formação, porque atingir uma massa de milhões ou bilhões de vezes a do Sol deve levar bilhões de anos de alimentação constante.

“É como ver uma família andando pela rua, e eles têm dois adolescentes de seis pés, mas também têm consigo uma criança de seis metros de altura”, disse à Space.com John Reagan, pesquisador da Universidade Maynooth, que não esteve envolvido nesta pesquisa, em referência a descobertas anteriores. “Isso é um pouco problemático; Como a criança ficou tão alta? E é o mesmo para buracos negros supermassivos no universo. Como eles ficaram tão massivos tão rapidamente?”

Atualmente, os cientistas têm duas rotas principais que os buracos negros podem seguir para alcançar o status de supermassivos no universo primitivo. Eles poderiam começar como pequenas sementes de buracos negros que são criadas quando estrelas massivas colapsam no final de suas vidas e depois de milhões ou bilhões de anos, ou podem pular totalmente essa etapa.

Isso poderia ocorrer se vastas nuvens de gás frio e poeira colapsassem para formar imediatamente uma “semente de buraco negro pesado” com uma massa alguns milhões de vezes maior que a do Sol. Dessa forma, o processo avança rapidamente através de milhões ou bilhões de anos de evolução estelar, obtendo uma vantagem nos processos de alimentação e fusão que ajudam as sementes de buracos negros a crescer para buracos negros supermassivos. A descoberta deste novo buraco negro antigo com uma massa alguns milhões de vezes maior que a do Sol favorece essa teoria das sementes pesadas.

O Event Horizon Telescope, um conjunto de oito radiotelescópios terrestres em escala planetária forjado através de colaboração internacional, capturou esta imagem do buraco negro supermassivo no centro da galáxia M87 e sua sombra. (Crédito da imagem: EHT Collaboration)

No entanto, por outro lado, a taxa em que o buraco negro em GN-z11 está acrescido de matéria pode sugerir que os buracos negros podem ser capazes de se alimentar muito mais rápido do que outros buracos negros descobertos no início do universo foram observados para fazê-lo. Isso seria uma perna para as teorias de sementes de pequenos buracos negros.

Uma fórmula matemática conhecida como limite de Eddington marca a rapidez com que um corpo, como uma estrela, pode acumular massa sem que a radiação que emite (sua luminosidade) empurre essa massa para longe e, assim, corte esse suprimento de alimento.

Embora os buracos negros não emitam luz porque são delimitados por um limite de aprisionamento de luz chamado horizonte de eventos, sua enorme influência gravitacional faz com que o material que gira ao seu redor seja violentamente agitado e aquecido, emitindo radiação no processo. Quanto mais rapidamente um buraco negro se alimenta, mais intensa é a luz dessa região, chamada núcleo galáctico ativo (AGN).

Assim, o limite de Eddington se aplica a essa região, e pode agir da mesma forma para afastar o material e cortar o frenesi alimentar de um buraco negro.

Este buraco negro recém-descoberto está acumulando matéria de sua galáxia hospedeira a uma taxa cinco vezes maior do que o limite de Eddington. Períodos da chamada “super-acreção de Eddington” podem ocorrer, mas o fazem em crises limitadas.

A equipe estimou que, se esse período de alimentação voraz para este buraco negro tivesse ocorrido por 100 milhões de anos, ele poderia não ter começado a vida como uma semente pesada de buraco negro. Ele poderia ter se formado a partir de uma semente de buraco negro de massa estelar muito mais leve entre cerca de 250 milhões e 370 milhões de anos após o Big Bang e crescido rapidamente até a massa que é, como o JWST observa há 13,4 milhões de anos.

Buraco negro alimentado pode condenar sua galáxia hospedeira

Uma coisa de que a equipe tem certeza é que a alimentação intensa desse buraco negro é responsável pelo próprio GN-z11, que é cerca de 100 vezes menor que a Via Láctea e altamente luminoso. Mas o buraco negro guloso também deve atrapalhar o crescimento de sua galáxia hospedeira.

Ventos ultrarrápidos de partículas expelidas ao redor do buraco negro que se alimentam provavelmente estão afastando gás e poeira do coração da galáxia. Nuvens frias de gás e poeira colapsam para estrelas nascidas, então isso significa que o buraco negro está moendo o nascimento estelar até parar, no processo de “matar” o crescimento desta pequena galáxia.

Além de aprender mais sobre este buraco negro e sua galáxia, a equipe por trás desta pesquisa acredita que o poder do JWST deve ajudar a descobrir mais buracos negros no universo primitivo.

Em particular, eles pretendem descobrir pequenas sementes de buracos negros na infância do cosmos e colocar de lado o debate em torno do crescimento prematuro de buracos negros supermassivos.

“É uma nova era: o salto gigante na sensibilidade, especialmente no infravermelho, é como atualizar do telescópio de Galileu para um telescópio moderno da noite para o dia”, concluiu Maiolino. Antes do JWST entrar em operação, pensei que talvez o universo não seja tão interessante quando você vai além do que poderíamos ver com o Telescópio Espacial Hubble. Mas esse não tem sido o caso: o universo tem sido bastante generoso no que está nos mostrando, e isso é apenas o começo.”

A pesquisa da equipe foi publicada nesta quarta-feira (17) na revista Nature. 

fonte: Space.com

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