JWST: novo estudo liga Little Red Dots a Supermassive Stars e SMBH

Quando o JWST iniciou as observações científicas em julho de 2022, ele escancarou uma nova janela para o Universo. O telescópio espacial James Webb (JWST) enxergou mais longe no passado do que qualquer outro instrumento, e o resultado veio acompanhado de várias surpresas.

O que o JWST revelou com os Little Red Dots (LRDs)

Uma dessas surpresas foi a dos Little Red Dots (LRDs), objetos antigos e muito tênues que o potente telescópio detectou em épocas tão remotas quanto apenas 600 milhões de anos após o Big Bang.

O JWST identificou mais de 300 LRDs, e o brilho observado sugeria massas estelares enormes. Embora as primeiras interpretações apontassem para galáxias, nem todos concordaram, e as dúvidas persistiram. A quantidade de LRDs em um período tão inicial era grande o suficiente para entrar em conflito com o que entendemos sobre o cosmos primordial.

O que parece reunir consenso entre os cientistas é que esses objetos são essenciais para compreender como o Universo cresceu e evoluiu até se tornar aquilo que vemos hoje.

AGN ou outra coisa? As inconsistências observacionais

Os primeiros estudos indicaram que os LRDs seriam núcleos galácticos ativos (AGN) com buracos negros supermassivos (SMBH) em seus centros. Isso ajudaria a explicar a coloração vermelha peculiar, provavelmente causada por enormes quantidades de gás e poeira envolvendo os objetos na forma de discos de acreção.

Por outro lado, em aspectos importantes eles não se parecem com AGN: não emitem raios X detectáveis, exibem um espectro praticamente plano no infravermelho e apresentam pouquíssima variabilidade.

A hipótese das Supermassive Stars (SMS) e o teste espectral

Uma pesquisa recente propõe que os LRDs talvez não sejam galáxias, mas sim um tipo hipotético de estrela chamada Supermassive Stars (SMS). Astrónomos consideram que as SMS podem ser etapas intermediárias críticas na formação das “sementes” dos SMBH. Esses SMBH, por sua vez, alimentam os quasares que os cientistas já observaram no Universo jovem.

O estudo chama-se "Supermassive Stars Match the Spectral Signatures of JWST's Little Red Dots". Os autores são Devesh Nandal, do Departamento de Astronomia da University of Virginia, e Abraham Loeb, do Harvard and Smithsonian Center for Astrophysics. A pesquisa está disponível em arxiv.org.

"O Telescópio Espacial James Webb (JWST) revelou uma população de fontes enigmáticas e compactas em alto redshift conhecidas como "Little Red Dots" (LRDs), cuja natureza física continua a ser alvo de intenso debate", escrevem os autores.

"Ao mesmo tempo, a montagem rápida dos primeiros buracos negros supermassivos (SMBHs) exige a formação de sementes pesadas, para as quais as estrelas supermassivas (SMSs) são os principais progenitores teóricos."

Com isso, os investigadores procuraram testar quantitativamente a hipótese de que os LRDs são, na verdade, SMS primordiais.

Acredita-se que as SMS tenham em torno de 10⁶ massas solares. A ideia é que essas estrelas só conseguiriam se formar no Universo inicial e que teriam explodido como supernovas de colapso do núcleo, produzindo buracos negros primitivos que acabariam servindo como sementes para SMBH. Esse cenário ajudaria a entender por que pesquisadores encontram SMBHs tão cedo no tempo cósmico - muito antes do que deveriam existir de acordo com teorias atuais.

"Os LRDs podem representar a luz fotossférica direta de SMS em acreção captadas nos últimos ≲ 10³ anos antes do colapso", escrevem os autores. "Essa vida curta é consistente com a raridade dos LRDs, sugerindo que eles são uma fase passageira, porém crucial, na formação de galáxias e de buracos negros."

Modelagem atmosférica e os casos MoM-BH*-1 e The Cliff

Para avaliar a hipótese, os investigadores construíram modelos atmosféricos detalhados para uma SMS com 10⁶ massas solares e sem metais. Como essas estrelas seriam de População III, elas não deveriam conter metais. O modelo conseguiu reproduzir as características observadas dos LRDs.

A SMS simulada coincidiu com a luminosidade dos LRDs, e as feições espectrais também ficaram em concordância. Isso é decisivo porque, como os autores destacam, "o teste definitivo do nosso modelo é a sua capacidade de reproduzir os espectros observados dos LRDs". No trabalho, eles concentraram a análise em dois LRDs chamados MoM-BH*-1 e The Cliff, objetos recorrentes na literatura científica.

"Uma característica definidora dos espectros de LRDs é a presença simultânea de uma linha de emissão Hβ forte e larga, ao lado de outras linhas de Balmer em absorção", explicam os autores. Segundo eles, isso resulta da fotósfera extensa e densa ao redor das SMS.

Nandal e Loeb descrevem o estudo como "uma investigação de primeiros princípios sobre se estrelas supermassivas (SMSs) de População III podem servir como os motores centrais da classe enigmática de objetos conhecida como Little Red Dots (LRDs)".

Eles mostram que SMS com 10⁶ massas solares reproduzem a luminosidade dos LRDs. Também indicam que uma fotósfera estelar estendida em torno da SMS explica a quebra de Balmer em V observada nos LRDs. Além disso, apontam que os espectros de SMS coincidem com os espectros observados dos LRDs.

"Em conclusão, o nosso modelo de SMS oferece um quadro físico notavelmente simples e autoconsistente para os LRDs", escrevem os autores. Enquanto outros modelos que interpretam os LRDs como núcleos galácticos ativos exigem componentes separados para emissão, absorção e contínuo, a proposta deles atribui tudo a uma origem unificada. Isso segue a Navalha de Occam, que recomenda buscar explicações com o menor número de elementos.

Próximos passos e limites observacionais do JWST

Embora um único estudo não comprove nada de forma definitiva, este trabalho estabelece uma base para investigações mais profundas. "Trabalhos futuros devem buscar desenvolver a base estabelecida aqui", escrevem os autores na conclusão. Modelos ampliados podem examinar se existem caminhos diferentes - com massas distintas e outras propriedades - para que SMS gerem a população de LRDs observada.

Os Little Red Dots são extremamente difíceis de observar e ficam no limite das capacidades do JWST. Mesmo que, um dia, exista um sucessor mais poderoso do que o JWST, por agora os cientistas precisam trabalhar com o que têm.

Se ficar demonstrado que as “galáxias” Little Red Dot não são galáxias, mas sim estrelas supermassivas que deram origem aos buracos negros supermassivos (SMBH) atuais, teremos uma resposta para uma das questões mais intrigantes da astronomia. Os cientistas podem continuar a sustentar que os LRDs são, de facto, SMS, mas talvez só consigam confirmar isso bem mais à frente.

Este artigo foi publicado originalmente pelo Universe Today. Leia o artigo original.