Começa Com Um Estrondo

Maior e mais jovem buraco negro de todos os tempos choca astrônomos

Quanto mais longe olhamos, mais perto no tempo viajamos de volta para o Big Bang. O mais recente recordista de quasares vem de uma época em que o Universo tinha apenas 670 milhões de anos, revelando um buraco negro de 1,6 bilhão de massas solares. Essas sondas cosmológicas ultradistantes nos mostram um Universo que contém matéria escura e energia escura, mas não entendemos como esses buracos negros crescem tanto e tão rápido. (ROBIN DIENEL/CARNEGIE INSTITUTION FOR SCIENCE)

O mais novo quasar recordista abriga um enorme buraco negro. Ninguém sabe como.

Em todos os campos científicos, estamos sempre atentos a qualquer nova descoberta que possa revelar o que está atualmente além das fronteiras conhecidas. Pesquisas por partículas menores e mais fundamentais, temperaturas cada vez mais próximas do zero absoluto ou objetos distantes nos recessos do Universo ajudam a impulsionar nosso progresso. Onde nossas observações ou medições nos dão um resultado que não estávamos teoricamente antecipando, esse é o momento mais emocionante para um cientista, pois muitas vezes é um presságio de que estamos prestes a aprender algo totalmente novo sobre o Universo em que habitamos.

Na 237ª reunião da American Astronomical Society, o cientista Feige Wang anunciou a descoberta de um novo quasar : um buraco negro ativo, ultrabrilhante e supermassivo encontrado nos centros de galáxias distantes. Este é o quasar mais distante e, portanto, o buraco negro mais distante já encontrado. Sua luz vem até nós quando o Universo tinha apenas 670 milhões de anos, ou ~ 5% de sua idade atual, e ainda assim já cresceu para uma massa que é 1,6 bilhão de vezes maior que o nosso Sol. É um mistério como um buraco negro tão grande pode existir tão cedo , apresentando tanto uma crise quanto uma oportunidade única para astrônomos e astrofísicos.

Impressão artística do quasar J0313–1806 mostrando o buraco negro supermassivo e o vento de velocidade extremamente alta. O quasar, visto apenas 670 milhões de anos após o Big Bang, é 1.000 vezes mais luminoso que a Via Láctea e é alimentado pelo mais antigo buraco negro supermassivo conhecido, que pesa mais de 1,6 bilhão de vezes a massa do Sol. (NOIRLAB/NSF/AURA/J. DA SILVA)

Se rebobinarmos o relógio até o início do Universo, logo após o Big Bang, saberemos que estamos olhando para um tempo antes de haver galáxias, estrelas ou buracos negros de qualquer tipo. Embora possa haver um fio de estrelas se formando entre 50 e 100 milhões de anos após o Big Bang, a primeira grande explosão de formação de estrelas não deve ocorrer até perto de 200 milhões de anos após o Big Bang. Espera-se que as primeiras estrelas sejam massivas, com muitas estrelas atingindo centenas ou mesmo mil ou mais massas solares.

Quando essas primeiras estrelas morrem, o que ocorre depois de apenas alguns milhões de anos, muitas delas entrarão em colapso em buracos negros, seja por meio de uma supernova de colapso de núcleo ou por um processo diferente de colapso direto. Os primeiros aglomerados de estrelas que abrigam esses jovens buracos negros ocorrem nas regiões do espaço que começaram com significativamente mais matéria do que a média: as regiões mais densas de todas. Com o tempo, eles atrairão mais e mais matéria para eles, levando à formação e crescimento de galáxias, rajadas de novas estrelas e permitindo que esses buracos negros iniciais cresçam.

A renderização deste artista mostra uma galáxia sendo limpa de gás interestelar, os blocos de construção de novas estrelas. Os ventos impulsionados por um buraco negro central são responsáveis por isso e podem estar no centro do que está impulsionando várias galáxias ativas e ultradistantes. A atividade do buraco negro eventualmente fará com que a formação de estrelas que ocorre em toda a galáxia cesse. (ESA/ATG MEDIALAB)

Mas quão rápido eles podem crescer? Os maiores buracos negros que encontramos no Universo hoje são algumas dezenas de bilhões de massas solares, indicando que eles devoraram uma tremenda quantidade de matéria e/ou se fundiram com um enorme número de outros buracos negros para atingir essas massas de cerca de 13,8 bilhões anos após o Big Bang. Quando olhamos para o início do Universo, no entanto, as galáxias que vemos são menores, menores em massa e possuem populações de estrelas mais jovens do que suas contrapartes modernas.

Simplificando, o Universo precisa de enormes quantidades de tempo cósmico para que as estruturas cresçam e evoluam. Há um limite para a rapidez com que as estrelas podem se formar, já que a formação de estrelas aquece a matéria circundante, enquanto a própria formação de estrelas requer gás frio. Os buracos negros mais massivos que se formam afundarão para o centro através de interações gravitacionais com massas mais leves, onde se fundirão para formar os primeiros buracos negros supermassivos. E quando a matéria cai nesses buracos negros, ela é aquecida e acelerada, produzindo jatos energéticos que ajudam a suprimir ainda mais a formação de estrelas futuras.

Embora galáxias hospedeiras distantes para quasares e núcleos galácticos ativos possam ser frequentemente fotografadas em luz visível/infravermelha, os próprios jatos e a emissão circundante são melhor visualizados tanto no raio-X quanto no rádio, conforme ilustrado aqui para a galáxia Hercules A. as saídas gasosas são destacadas no rádio e, se as emissões de raios X seguirem o mesmo caminho para o gás, elas podem ser responsáveis pela criação de pontos quentes devido à aceleração dos elétrons. Esses fluxos desempenham um papel importante na determinação da possível taxa de crescimento dos buracos negros. (NASA, ESA, S. BAUM E C. O'DEA (RIT), R. PERLEY E W. COTTON (NRAO/AUI/NSF), E HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA))

Quando juntamos tudo isso, quantitativamente, esperamos que haja um limite máximo – pelo menos, se nossas teorias padrão e nossas aplicações estiverem corretas – para o quão massivo um buraco negro poderia chegar nos primeiros tempos cósmicos. Há cerca de dois anos, cientistas descobriram um buraco negro então recorde de apenas 690 milhões de anos após o Big Bang que tinha uma massa de 800 milhões (0,8 bilhão) de massas solares, o que por si só era um desafio de explicar.

Os buracos negros de sementes teriam que se formar desde as primeiras estrelas e depois crescer no que os astrônomos atualmente pensam ser a taxa máxima possível, o limite de Eddington, por toda a sua existência, a fim de atingir esse valor de massa tão rapidamente. De acordo com uma análise feita nesse mesmo papel , eles esperavam apenas cerca de 20 desses buracos negros dessa magnitude em todo o Universo naquela época. As chances de encontrarmos um, dada a estreita porção do céu que havia sido examinada tão profundamente, eram desfavoráveis.

Agora, alguns anos depois, temos um buraco negro de outros 20 milhões de anos antes, e é duas vezes mais massivo que o quasar anteriormente mais distante.

O novo detentor do recorde para o primeiro buraco negro em comparação com o detentor do recorde anterior e uma variedade de outros buracos negros supermassivos iniciais. Observe que esse novo buraco negro, J0313-1806, atingiu uma massa de 1,6 bilhão de massas solares apenas 670 milhões de anos após o Big Bang. (FEIGE WANG, APRESENTADO NA AAS237)

Para um objeto como este, temos absolutamente que garantir que não estamos nos enganando. Não basta coletar a luz de um objeto distante e determinar que ele não tem emissão de luz ultravioleta ou visível, mas é tão avermelhado que cai no infravermelho; há vários efeitos de primeiro plano que podem fornecer o tipo de sinal que observamos. O que você precisa fazer, se quiser ter certeza, é dividir a luz em seus comprimentos de onda individuais, determinando seus espectros e identificando uma variedade de características.

Quando os pesquisadores fizeram isso para esse novo quasar em particular - J0313-1806 - foi pegar um espectro desse objeto e identificaram quatro características principais quando o fizeram.

Uma emissão da linha Lyman-α, proveniente do hidrogênio energético, que ocorre em um comprimento de onda específico: 121,5 nanômetros.
Uma característica espectral correspondente ao carbono triplamente ionizado, presente em ambientes energéticos onde as estrelas já viveram e morreram.
Outra característica que aponta para a presença de magnésio mono-ionizado, indicando a presença prévia de estrelas massivas que já morreram.
E dois mergulhos assimétricos que correspondem a características de absorção em dois comprimentos de onda diferentes: um um pouco mais longo e outro um pouco mais curto que o outro.

O fato de termos observado todas essas características na porção infravermelha do espectro nos diz o quão distante e antiga essa luz realmente é.

A quebra espectroscópica da luz do quasar J0313−1806 mostra a emissão Lyman-α, duas características de absorção logo à direita dela, e então características de carbono triplamente ionizado e magnésio ionizado individualmente. Essa análise espectral nos permitiu determinar que esse quasar realmente está a quase 30 bilhões de anos-luz de distância, representando o Universo em expansão. (FEIGE WANG ET AL. (2021), ARXIV: 2101.03179)

Esses dois mergulhos são particularmente interessantes, no entanto. Há um monte de perguntas que podemos fazer sobre esses recursos de absorção, e responder a essas perguntas leva a uma conclusão fascinante.

O que absorve a luz em um determinado comprimento de onda? Gás neutro, cujos átomos são excitados pela luz de uma determinada energia, mas depois re-irradiam em uma direção aleatória, impedindo que a luz chegue aos nossos olhos.

Por que haveria duas características de absorção diferentes? Se o gás estiver se movendo em duas direções – uma em nossa direção e outra longe de nós – você terá duas características separadas com picos em dois comprimentos de onda diferentes.

Por que as características de absorção seriam amplas em vez de estreitas? Porque o gás se move com velocidades variadas (em uma faixa) ou é aquecido a uma temperatura significativamente alta.

Então o que poderia estar causando isso? Qual é a característica comum a quasares e galáxias ativas? Dois jatos relativísticos e rápidos de matéria movendo-se em direções opostas. Este é um quasar, e essas características de absorção são o que conhecemos como saídas de quasar.

A galáxia ativa IRAS F11119+3257 mostra, quando vista de perto, fluxos que podem ser consistentes com uma grande fusão. Buracos negros supermassivos só podem ser visíveis quando são “ligados” por um mecanismo de alimentação ativo, explicando por que podemos ver esses buracos negros ultradistantes nas formas de AGNs e quasares. (CENTRO DE VÔO ESPACIAL GODDARD DA NASA/SDSS/S. VEILLEUX)

Este quasar foi inicialmente encontrado pelo telescópio Magellan e, em seguida, foi confirmado espectroscopicamente pelo telescópio Gemini, que determinou seu desvio para o vermelho, distância e uma série de outros parâmetros. Este quasar é:

tão luminosa quanto 36 trilhões de sóis em todos os comprimentos de onda da luz,
apenas um décimo do raio da Via Láctea, talvez apenas 5.000 anos-luz do centro até a borda,
passando por uma grande e contínua quantidade de formação de estrelas, com uma média de ~200 novas massas solares de estrelas por ano,
extremamente empoeirado, com cerca de 70 milhões de massas solares de poeira,
com dois jatos movendo-se rapidamente em direções opostas: um movendo-se a ~14% da velocidade da luz e o outro movendo-se a ~18% da velocidade da luz,
contendo um buraco negro supermassivo que cresceu para 1,6 bilhão de massas solares,
cuja luz tem viajado até nós nos últimos 13,1 bilhões de anos,
e que está atualmente localizado, respondendo pela expansão do Universo, a 29,4 bilhões de anos-luz de distância.

O que é notável sobre isso é o fato de que, mesmo se assumirmos que esse buraco negro cresceu na taxa máxima que acreditamos ser possível, e o fez desde as primeiras estrelas/buracos negros, ele requer um buraco negro semente de cerca de 10.000 massas solares, o que talvez seja um fator de 10 vezes mais massivo do que os buracos negros mais massivos que esperamos existir naquele momento.

Se você começar com um buraco negro inicial, semente, quando o Universo tinha apenas 100 milhões de anos, há um limite para a taxa em que ele pode crescer: o limite de Eddington. Ou esses buracos negros começam maiores do que nossas teorias esperam, se formam mais cedo do que percebemos, ou crescem mais rápido do que nossa compreensão atual permite atingir os valores de massa que observamos. (FEIGE WANG, DE AAS237)

O que também é surpreendente sobre esse quasar é que seu alto nível de atividade – os jatos energéticos e relativísticos, sua alta luminosidade e a enorme produção de energia associada a ele – está associado a níveis muito altos de formação de estrelas. Isso, até onde entendemos, não deve ser possível por muito tempo.

O que sempre acontece em sistemas como esse é algo chamado quenching, que é onde a injeção de energia de um processo impede que outro processo continue. Para ter formação estelar, por exemplo, você precisa de muito gás frio colapsando gravitacionalmente para formar novas estrelas. Se você injetar muita energia nesse gás, ele aquecerá e não poderá entrar em colapso. Quasares, e particularmente os jatos e outras emissões desse quasar, deveriam estar fazendo exatamente isso.

Em outras palavras, os fluxos de quasar devem estar suprimindo a formação de estrelas neste objeto. E, no entanto, parece ainda estar crescendo e formando novas estrelas a uma taxa espetacularmente rápida: 200 massas solares por ano.

HE0435–1223, localizado no centro desta imagem de campo amplo, está entre os cinco quasares com melhor lente descobertos até hoje. A galáxia em primeiro plano cria quatro imagens quase uniformemente distribuídas do quasar distante ao seu redor. Os quasares estão entre os objetos mais distantes encontrados no Universo observável. (ESA/HUBBLE, NASA, SUYU ET AL.)

Felizmente, temos a capacidade tecnológica chegando para aprender muito, muito mais sobre o que está acontecendo neste objeto distante que parece desafiar a explicação convencional. Não fomos capazes, mesmo com os melhores telescópios infravermelhos terrestres que temos, de visualizar a própria galáxia hospedeira ou os fluxos de quasar diretamente.

O Atacama Large Millimeter/submillimetre Array (ALMA) é um conjunto extremamente grande e poderoso de radiotelescópios, especializado em imagens de gás e poeira presentes em ambientes aquecidos externamente. Se quisermos medir as saídas desse sistema quasar, o ALMA – assim que voltar a ficar online após seu fechamento devido à pandemia – poderá fazer as observações críticas.

Além disso, o Telescópio Espacial James Webb, com lançamento previsto para o final deste ano, será capaz de visualizar diretamente a galáxia hospedeira que abriga este quasar, espiando através do meio intergaláctico ainda não totalmente reionizado para ver o que não existe. telescópio atualmente operacional pode ver.

À medida que exploramos cada vez mais o Universo, somos capazes de olhar mais longe no espaço, o que equivale a mais longe no tempo. O Telescópio Espacial James Webb nos levará a profundidades, diretamente, que nossas instalações de observação atuais não podem igualar, com os olhos infravermelhos de Webb revelando a luz estelar ultradistante que o Hubble não pode esperar ver, incluindo as galáxias hospedeiras dos quasares mais distantes conhecidos. . (NASA / JWST E EQUIPES HST)

É uma coisa absolutamente notável que encontramos um buraco negro supermassivo a distâncias maiores do que nunca, em particular quando consideramos o quão raros esses objetos devem ser em todo o cosmos. Mas o que é realmente intrigante é como esse buraco negro ficou tão grande em tão pouco tempo. Crescer para 1,6 bilhão de massas solares em um universo com menos de 700 milhões de anos só deve ser possível, mesmo que o buraco negro cresça na taxa máxima permitida, se começar com cerca de 10.000 massas solares: cerca de um fator de 10 maior que valores realistas admitem.

Felizmente, temos observações em um futuro próximo que nos ensinarão muito mais sobre esse objeto, incluindo como é sua galáxia hospedeira e o que os fluxos de quasar estão fazendo. Nos próximos anos, podemos esperar encontrar um número ainda maior de buracos negros nesses recessos distantes do Universo, pois os astrônomos esperam aprender como esses objetos realmente se formam e evoluem ao longo do tempo. Por enquanto, não sabemos como esses buracos negros ficaram tão grandes tão rapidamente no início do Universo, mas os dados não mentem. Esses objetos estão lá fora, e cabe a nós descobrir de onde eles vieram.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .