Os astrónomos descobriram três buracos negros supermassivos que se alimentam ativamente numa única galáxia, a mais de 12,5 mil milhões de anos-luz da Terra. A descoberta, feita por uma equipa de investigação internacional liderada pelo Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE), oferece um raro vislumbre de como enormes buracos negros cresceram e interagiram durante as primeiras fases do Universo.
Os buracos negros estão localizados em uma galáxia conhecida como J0148-4214. Todos os três estão acumulando ativamente matéria, que espirala em direção a eles através dos discos circundantes de gás e outros materiais. Como a galáxia está tão distante, a sua luz viajou pelo espaço durante aproximadamente 12,5 mil milhões de anos antes de chegar à Terra. Isto significa que os astrónomos estão a observá-lo tal como existia apenas 1,2 mil milhões de anos após o Big Bang.
Em distâncias tão vastas, a expansão do universo estende a luz para comprimentos de onda mais longos e mais vermelhos. Os astrónomos medem este efeito através de uma propriedade chamada desvio para o vermelho. Para J0148-4214, os investigadores mediram um desvio para o vermelho de z=5,02, permitindo-lhes determinar a sua distância notável.
Três buracos negros em uma galáxia antiga
“Esta é a primeira evidência de três buracos negros activos numa única galáxia no Universo distante,” diz Hannah Übler, líder do grupo de investigação no MPE e autora principal do estudo.
Dois dos buracos negros ficam perto do centro da galáxia, separados por uma distância projetada de apenas 620 anos-luz. A terceira está muito mais distante, a aproximadamente 5.500 anos-luz do centro.
A descoberta fornece evidências importantes sobre como os buracos negros massivos se uniram no universo jovem.
“Isso sugere que os processos no Universo primordial foram eficientes na união de buracos negros massivos, preparando o terreno para as fusões de buracos negros massivos que esperamos detectar com futuros observatórios de ondas gravitacionais”, diz Übler.
Os astrônomos acreditam que as colisões e fusões de galáxias eram comuns durante o início da história do universo. À medida que as galáxias se combinavam, os seus buracos negros centrais também poderiam aproximar-se e eventualmente fundir-se. Estas fusões produziriam buracos negros cada vez mais massivos nos centros das galáxias recém-formadas, potencialmente ajudando a explicar como alguns cresceram até tamanhos enormes logo após o Big Bang.
Como os astrônomos detectaram os buracos negros ocultos
Os investigadores identificaram os três buracos negros examinando padrões distintos na luz emitida pelo gás hidrogénio. Perto de um buraco negro, poderosas forças gravitacionais fazem com que o gás se mova a velocidades extremamente altas. Estes movimentos deixam assinaturas reconhecíveis no espectro da luz, permitindo aos astrónomos detectar a actividade dos buracos negros mesmo quando os próprios objectos não podem ser vistos directamente.
No centro de J0148-4214, a equipe encontrou um padrão de emissão de hidrogênio particularmente complicado. A melhor explicação foi a presença de dois buracos negros próximos, em vez de uma única fonte.
Para distingui-los, os cientistas usaram uma técnica de medição precisa chamada espectroastrometria. Ao rastrear mudanças subtis nas posições das emissões espectrais em toda a galáxia, foram capazes de identificar as localizações de ambos os buracos negros centrais, embora o telescópio não conseguisse identificá-los como dois pontos de luz separados.
As observações também revelaram o terceiro buraco negro ativo na região externa da galáxia.
Três buracos negros com massas notavelmente diferentes
Os três buracos negros variam dramaticamente em tamanho. Segundo os cálculos dos pesquisadores, suas massas são aproximadamente 80 milhões, 600 mil e 2 milhões de vezes a do Sol.
Surpreendentemente, o maior buraco negro não é aquele que se alimenta de forma mais agressiva. O seu vizinho mais pequeno, com uma massa de cerca de 600.000 sóis, está a acumular matéria a uma taxa muito maior. Na verdade, a sua taxa de alimentação estimada excede o máximo previsto pelos modelos básicos de crescimento de buracos negros (o limite de Eddington).
Este crescimento invulgarmente rápido pode oferecer pistas sobre como alguns buracos negros se tornaram extraordinariamente massivos durante o tempo relativamente curto disponível no Universo primitivo.
“Os dados do JWST permitiram-nos não só identificar os três buracos negros, mas também estimar as suas massas, taxas de acreção e a massa estelar da galáxia,” diz o Dr. Giovanni Mazzolari, segundo autor do estudo e investigador do MPE. “Encontramos uma massa estelar total de cerca de 1,3 mil milhões de sóis, e os buracos negros representam uma fração significativa disso.”
Uma antiga fusão de buraco negro em formação
Espera-se que os dois buracos negros próximos ao centro da galáxia se fundam nas próximas centenas de milhões de anos. A sua eventual colisão poderá ajudar a produzir um buraco negro ainda mais massivo, ilustrando um processo que pode ter sido essencial para o crescimento dos primeiros gigantes cósmicos do Universo.
“Estes resultados são extremamente entusiasmantes”, acrescenta Roberto Maiolino, professor da Universidade de Cambridge e coautor do estudo. “Eles sugerem que a fusão de buracos negros pode ser uma rota adicional e rápida para o seu rápido crescimento no Universo primordial.”
O terceiro buraco negro apresenta outro enigma intrigante. Localizada bem fora do centro da galáxia, pode ser um remanescente de uma fusão anterior que foi empurrada para fora por um poderoso recuo gravitacional. Tal efeito pode ocorrer quando buracos negros em fusão emitem ondas gravitacionais de forma desigual, enviando o buraco negro resultante na direção oposta.
Outra possibilidade é que o terceiro buraco negro esteja se movendo gradualmente em direção ao centro da galáxia, onde poderá eventualmente interagir com os outros dois.
James Webb revela buracos negros que, de outra forma, poderiam permanecer ocultos
A descoberta destaca as notáveis capacidades do Telescópio Espacial James Webb (JWST) para estudar buracos negros em galáxias distantes.
Em particular, as descobertas demonstram a importância da espectroscopia de campo integral, que permite aos astrónomos examinar como a luz e as suas assinaturas espectrais variam em diferentes partes de uma galáxia.
Usando o espectrógrafo de infravermelho próximo de Webb em seu modo de espectroscopia de campo integral (NIRSpec-IFS), os pesquisadores foram capazes de separar sinais que de outra forma pareceriam vir de um único buraco negro.
Sem essa informação espacial detalhada, os astrónomos provavelmente teriam identificado apenas um dos três buracos negros activos da galáxia.
Os resultados sugerem que outras galáxias distantes podem conter múltiplos buracos negros em crescimento que passaram despercebidos. Encontrar mais destes sistemas ocultos poderia ajudar os cientistas a reconstruir a história das fusões de buracos negros e a compreender melhor como o Universo produziu os seus buracos negros mais massivos tão cedo na história cósmica.
Fonte: ScienceDaily
