JWST COSMOS-Web revela buraco negro supermassivo nascendo na galáxia Infinity a 8,3 mil milhões de anos

O quebra-cabeça dos buracos negros supermassivos

Os buracos negros supermassivos estão entre os maiores enigmas do Universo. Esses colossos, com massas que vão de milhões a dezenas de mil milhões de Sóis, ficam escondidos no centro de praticamente todas as galáxias - como um coração gravitacional em torno do qual estrelas, planetas e nuvens de gás brilhante giram numa dança complexa.

O que ainda não está claro é de que forma esses gigantes surgem. Eles aumentam de tamanho devagar, pela soma gradual de massa a partir de uma “semente” comparável ao núcleo de uma única estrela? Ou aparecem de maneira direta, quando nuvens enormes de matéria no espaço - tão densas que já não conseguem resistir à própria gravidade - colapsam de uma vez?

Uma descoberta recente pode, pelo menos em parte, ajudar a esclarecer essa questão.

A galáxia Infinity e o buraco negro supermassivo em formação

Um par de galáxias cuja luz levou 8,3 mil milhões de anos para chegar até nós parece abrigar, segundo os astrónomos, um buraco negro supermassivo no exato processo de se formar. Se essa interpretação estiver correta, é a primeira vez que esse fenómeno é observado em ação - uma peça vital e inédita no quebra-cabeça da formação de buracos negros supermassivos.

“Achamos que estamos a testemunhar o nascimento de um buraco negro supermassivo - algo que nunca foi visto antes”, diz o astrónomo Pieter van Dokkum, da Universidade Yale, nos Estados Unidos.

Essa “prova definitiva” foi identificada num par de galáxias em colisão, alinhadas de modo que a configuração lembra um oito deitado, como o símbolo do infinito. A equipa batizou o sistema de galáxia Infinity, e ele é mesmo uma raridade: foi encontrado durante uma busca por objetos incomuns no levantamento do Universo JWST COSMOS-Web.

Cada um dos dois lóbulos do sistema tem o seu próprio núcleo intensamente luminoso, com um buraco negro supermassivo escondido no interior. No entanto, exatamente na região em que os dois lóbulos se sobrepõem e se cruzam, aparece um terceiro “nó” igualmente brilhante.

Ao analisar esse ponto com atenção em múltiplos comprimentos de onda, os investigadores ficaram surpreendidos ao encontrar ali assinaturas compatíveis com um terceiro buraco negro supermassivo, bem no meio dos dois lóbulos da galáxia Infinity.

“Nós perguntámos a nós mesmos: como é que isto faz sentido?”, afirma van Dokkum.

O que os dados sugerem sobre colapso direto

Uma avaliação mais minuciosa do material em torno do buraco negro anómalo indicou que ele seria recém-formado, inserido numa região alargada de gás quente e chocado. Esse cenário aponta para um mecanismo de formação de buracos negros associado ao modelo de colapso direto.

“Neste caso, duas galáxias de disco colidiram, formando as estruturas em anel de estrelas que observamos. Durante a colisão, o gás dentro dessas duas galáxias sofre choque e compressão. Essa compressão pode ter sido suficiente para criar um nó denso, que então colapsou e virou um buraco negro”, explica van Dokkum.

“Embora colisões assim sejam eventos raros, acredita-se que densidades de gás igualmente extremas tenham sido bastante comuns em épocas cósmicas iniciais, quando as galáxias começaram a se formar.”

Colisões galácticas, fusões e o Universo primordial

Há muito tempo se propõe que colisões entre galáxias sejam uma das formas de buracos negros supermassivos crescerem. Quando dois sistemas se fundem, os buracos negros centrais acabam inexoravelmente atraídos pela gravidade um do outro e, com o tempo, colidem e se unem, formando um buraco negro maior.

Esses encontros também são considerados parte essencial da maneira como as galáxias aumentaram de massa no Universo jovem; acredita-se que a Via Láctea tenha passado por várias fusões desse tipo.

A ideia é consistente, mas não resolve a pergunta sobre como se formaram os buracos negros menos massivos - ainda assim supermassivos - nos centros dessas galáxias. Um conjunto crescente de evidências dá suporte ao modelo de colapso direto, mas o processo em si ainda não tinha sido observado em andamento.

A galáxia Infinity aparece num ponto um pouco além da metade da história do Universo, estimada em 13,8 mil milhões de anos. Já o Universo primordial estava repleto de nuvens densas de hidrogénio que poderiam colidir entre si, gerando nós de matéria chocada e extremamente massiva de forma muito semelhante. Por isso, a descoberta torna-se um argumento forte a favor do colapso direto logo no início do Universo.

“Isto é o mais próximo de uma prova definitiva que provavelmente alguma vez teremos”, diz van Dokkum.

Dois artigos que descrevem a descoberta foram submetidos às Cartas do Jornal Astrofísico. Eles podem ser encontrados no arXiv aqui e aqui.