JWST confirma buraco negro em CAPERS-LRD-z9 com 300 milhões de massas solares e esclarece os Pequenos Pontos Vermelhos (LRDs)

Astrónomos confirmaram o buraco negro mais antigo e mais distante já observado - e ele é surpreendentemente gigantesco para a sua época.

CAPERS-LRD-z9 e o buraco negro supermassivo

O objeto fica numa galáxia chamada CAPERS-LRD-z9. Mesmo quando o cosmos tinha apenas 500 milhões de anos após a Grande Explosão - ou seja, cerca de 3 por cento da idade atual do Universo - esse buraco negro já acumulava aproximadamente 300 milhões vezes a massa do Sol.

No centro de CAPERS-LRD-z9, o buraco negro recém-confirmado manifesta-se como um núcleo galáctico ativo (AGN): um buraco negro muito luminoso, alimentando-se rapidamente no coração da galáxia. A aparência avermelhada vem do facto de ele estar envolto por um casulo brilhante de gás e poeira, o que pode fazê-lo lembrar uma “estrela de buraco negro”, num conceito digno de ficção científica.

Além disso, CAPERS-LRD-z9 parece tão compacta que nem o JWST consegue distingui-la em detalhe. A estimativa é que tenha, no máximo, 1,140 anos-luz de largura - dimensão comparável à de galáxias anãs que orbitam a Via Láctea.

Pequenos Pontos Vermelhos (LRDs) vistos pelo JWST

A confirmação também ajuda a lançar luz, literalmente, sobre uma classe antiga e enigmática de objetos celestes: os Pequenos Pontos Vermelhos (LRDs). Eles são pequenos, muito brilhantes e vermelhos no Universo primordial. Surgem por volta de 600 milhões de anos após a Grande Explosão e, menos de um bilião de anos depois, começam a desaparecer.

Os LRDs só foram identificados recentemente graças à capacidade inédita do JWST no infravermelho para investigar o Alvorecer Cósmico, os períodos mais iniciais da história do Universo. Esses também são os períodos mais “vermelhos”, porque a luz que chega ao JWST foi esticada, ao longo de um percurso enorme, para comprimentos de onda cada vez mais avermelhados enquanto atravessava o tecido do espaço-tempo em expansão.

Espectroscopia, ventos rápidos e pistas sobre o crescimento

A gravidade desse buraco negro supermassivo faz o gás nas proximidades atingir velocidades difíceis de conceber: cerca de 3,000 quilómetros (1,864 milhas) por segundo, ou 1 por cento da velocidade da luz. São esses ventos de gás que permitem aos astrónomos inferir a presença de buracos negros por meio da espectroscopia.

“Não há muitas outras coisas que produzam esta assinatura”, explica o autor principal Anthony Taylor, astrofísico da Universidade do Texas em Austin.

Na prática, a espectroscopia separa a luz recebida nos seus diferentes comprimentos de onda, gerando um espectro que revela características do objeto observado. Aqui, as ondas de luz emitidas pelo gás em torno do buraco negro ficam mais esticadas e tornam-se mais vermelhas quando esse gás se afasta do observador. Já quando o movimento é na direção do observador, a luz é comprimida e desloca-se para tons mais azuis. Essa diferença permite determinar a velocidade do material.

Um ponto central é que a confirmação espectroscópica de CAPERS-LRD-z9 reforça a hipótese de que os LRDs abrigam buracos negros supermassivos - embora “supermassivo” quase pareça pouco: alguns chegam a 10 milhões de massas solares ainda no seu primeiro bilião de anos. Como comparação, o buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea tem cerca de 4 milhões de massas solares.

Os buracos negros no centro dos LRDs podem não ser apenas supermassivos, mas “superdimensionados”, com rácios de massa que se aproximam de 10 por cento a 100 por cento da massa estelar da galáxia hospedeira.

No caso específico de CAPERS-LRD-z9, com até cerca de 300 milhões de massas solares, o buraco negro equivale a aproximadamente metade da massa de todas as estrelas da sua galáxia. Em contraste, galáxias mais próximas podem ter buracos negros centrais com apenas cerca de 0.1 por cento da sua massa estelar.

Os investigadores afirmam que existem duas formas de um buraco negro alcançar tamanha massa em apenas 500 milhões de anos de tempo cósmico. Em ambos os cenários, tudo começa com uma “semente” de buraco negro grande e pesada, que cresce a ritmos distintos.

Se o crescimento ocorrer no limite teórico superior para buracos negros - a chamada taxa de Eddington - a semente pode ter começado com cerca de 10,000 massas solares.

A outra possibilidade é que a semente tenha nascido bem menor, com apenas 100 massas solares. Nesse caso, ela precisaria crescer ainda mais depressa, num regime super-Eddington, sendo “forçada” a engolir matéria pela gravidade e por um invólucro espesso e denso de gás ao seu redor.

Quanto à origem dessas sementes, elas podem vir de diferentes processos no Universo primordial, incluindo:

• buracos negros primordiais formados quando a Grande Explosão, bem, explodiu;
• o colapso de estrelas da População III (as primeiras e raras estrelas que teriam iluminado o cosmos);
• “colisões descontroladas” em aglomerados estelares densos;
• o colapso direto de imensas nuvens de gás primordial.

No geral, é difícil olhar muito mais longe no espaço-tempo: “Quando se procura por buracos negros, isto é quase tão para trás quanto se consegue ir de forma prática. Estamos realmente a empurrar os limites do que a tecnologia atual consegue detetar”, acrescenta Taylor.

Por fim, estes resultados reforçam a ideia de que os LRDs foram um fenómeno efémero no Universo inicial e, possivelmente, um passo inicial na evolução das galáxias que pode ter dado origem até à própria Via Láctea.

Este estudo foi publicado nas Cartas do Jornal Astrofísico.