Uma descoberta astronômica surpreendente revela que alguns buracos negros supermassivos já eram gigantescos nos primórdios do Cosmos, existindo antes mesmo das galáxias que os abrigam. O que inverte tudo o que sabíamos sobre as origens das galaxias, os próprios buracos negros e o Universo.
A pesquisa foi publicada na Revista Nature e no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
O achado inverte o modelo tradicional da cosmologia. Poderia esse fato ser uma exceção? Ou esses monstros gravitacionais foram os catalisadores na formação das primeiras estruturas do Universo, e não o resultado final delas?
Telescópio Espacial James Webb. O Webb é o principal observatório da próxima década, servindo milhares de astrônomos em todo o mundo. Ele estuda todas as fases da história do nosso Universo. Imagem: NASA
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A seguir veremos as sérias implicações da descoberta de que alguns buracos negros supermassivos nasceram antes das próprias galáxias, alterando as teorias e drasticamente a nossa visão das origens. Em texto, imagens e vídeos.
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É preciso reformular varias vezes a pergunta clássica: O que vem primeiro, a galáxia ou o buraco negro? E tentar formular respostas
Tudo o que os livros didáticos de astronomia ensinaram sobre a evolução do Cosmos acaba de ser colocado em xeque.
Durante décadas, a comunidade científica acreditava que primeiro as galáxias se aglomeravam e, depois, a matéria no centro colapsava para formar um buraco negro supermassivo.
Evidências trazidas com muita força pelos dados do Telescópio Espacial James Webb inverte essa ordem: foram encontrados buracos negros primordiais que nasceram gigantescos no início de tudo e agiram como “sementes” gravitacionais, atraindo a matéria para construir as galáxias ao seu redor.
Buracos negros pode ser os pais das galáxias, não os filhos!
Dados do NIRSpec mostraram o movimento do gás ao redor do QSO1, permitindo calcular diretamente a massa do buraco negro supermassivo – Imagem: NASA/ESA/CSA/L. Furtak/R. Maiolino/F. D’Eugenio/I. Juodžbalis/H. Übler/C. Marconcini/A. Pagan
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Essa descoberta revolucionária está forçando os astrofísicos a reescreverem a cronologia do Universo primordial. Ao olhar para o passado profundo do espaço, encontrar buracos negros supermassivos antes de galaxias é desconcertante.
Desta forma, a existência desses titãs cosmológicos antes das primeiras galáxias quebra o paradigma tradicional: em vez de serem o subproduto do colapso de galáxias maduras, esses buracos negros funcionaram como verdadeiros “arquitetos cósmicos”, usando sua gravidade avassaladora para moldar e atrair a matéria que daria origem às galáxias ao seu redor.
É preciso reformular varias vezes a pergunta clássica: O que vem primeiro, a galáxia ou o buraco negro? (Análogo a questão biológica: quem veio primeiro: O ovo ou a galinha)
Não sabemos, mas os cientistas há muito tempo acreditam que possa ser a galáxia: estrelas grandes dentro de uma galáxia existente consomem seu combustível e colapsam para formar buracos negros, que podem engolir o material ao redor e se fundir ao longo do tempo para formar entidades ainda mais massivas.
Por que tão desconcertante encontrar buracos negros massivos antes da formação da galáxia?
Ilustração sem data mostra buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea, conhecido como Sagitário A*, rodeado por disco de acreção giratório de gás quente Imagem: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)/Divulgação via REUTERS
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É difícil entender como buracos negros com milhões ou bilhões de vezes a massa do Sol, milhares dos quais já foram detectados no universo primitivo, puderam crescer tão rapidamente a partir de sementes tão pequenas .
O fato até aqui é incontestável, e as teorias terão que mudar. Os pesquisadores têm provas robustas.
Utilizam o Telescópio Espacial James Webb da NASA detectaram evidências de que alguns buracos negros supermassivos eram enormes desde o início, formando-se sem uma fase de colapso estelar e sem uma galáxia hospedeira significativamente mais massiva para alimentá-los.
Esta é uma descoberta notável, disse Roberto Maiolino, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, coautor de estudos publicados na Nature e no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .
É uma mudança de paradigma, uma revisão completa dos cenários clássicos de como os buracos negros se formam e crescem.
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Vídeo 1: Quem surgiu primeiro, o buraco negro supermassivo ou a galáxia?
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O Pequeno Ponto Vermelho QSO1 existiu apenas 700 milhões de anos após o Big Bang
A conclusão da equipe baseia-se em observações detalhadas de Abell2744-QSO1 (QSO1), um protótipo de Pequeno Ponto Vermelho que existiu apenas 700 milhões de anos após o Big Bang.
Embora QSO1 tenha apenas 1.300 anos-luz de diâmetro e sua luz viaje há mais de 13 bilhões de anos, é mais fácil estudá-lo do que a maioria dos outros Pequenos Pontos Vermelhos, pois sofre o efeito de lente gravitacional do aglomerado de galáxias Abell 2744 ( Aglomerado de Pandora ).
QSO1 é ampliado e triplamente projetado, aparecendo em três locais diferentes no céu.
Pequeno Ponto Vermelho Abell2744-QSO1 (Imagem da Bússola NIRCam). capturada pela NIRCam do Webb, com setas de bússola, barra de escala e legenda de cores para referência. Imagem: NASA, ESA, CSA, Lukas Furtak (Universidade Ben-Gurion)
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Os estudos iniciais do QSO1 revelaram evidências convincentes de que ele pode ser pouco mais do que uma nuvem de gás hidrogênio e hélio brilhante orbitando um buraco negro supermassivo estimado em 40 milhões de vezes a massa do Sol.
Mas, assim como aconteceu com outros buracos negros descobertos pelo Webb, havia incerteza sobre se ele realmente tinha essa massa.
“Até agora, todas as medições de massa de buracos negros no universo primordial eram indiretas, baseadas em suposições a partir do que sabemos sobre eles no universo local. Não sabíamos se essas suposições realmente se aplicavam ao universo distante”, disse o coautor Francesco D’Eugenio, também da Universidade de Cambridge.
A composição da nuvem é quase inteiramente de hidrogênio e hélio e a velocidade do gás tem movimento kepleriano: orbita um ponto central da mesma forma que os planetas do sistema solar
A equipe reconheceu que, se o buraco negro do QSO1 for tão massivo quanto parece, eles deveriam ser capazes de usar a unidade de campo integral ( IFU ) do NIRSpec (Espectrógrafo de Infravermelho Próximo) do Webb para rastrear os efeitos de sua gravidade no gás que gira ao seu redor, além de mapear a distribuição de vários elementos no gás.
Ignas Juodžbalis, estudante de pós-graduação de Cambridge, e Cosimo Marconcini, da Universidade de Florença, autores principais de um dos estudos, usaram as observações do IFU para mapear os movimentos do gás hidrogênio ao redor do buraco negro.
Uma imagem da NIRCam, a bordo do Telescópio Espacial James Webb da NASA, mostra o Pequeno Ponto Vermelho Abell2744-QSO1, ampliado e triplamente fotografado pelo aglomerado de galáxias Abell 2744 (Aglomerado de Pandora). Imagem: NASA, ESA, CSA, Lukas Furtak (Universidade Ben-Gurion)
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Ao plotar a velocidade de rotação em função da distância do centro, eles descobriram que o gás tem movimento kepleriano: orbita um ponto central da mesma forma que os planetas do nosso sistema solar orbitam o Sol.
Isso é importante porque nos indica que a maior parte da massa do QSO1 está concentrada no buraco negro central, disse Juodžbalis. “Se a massa estivesse mais distribuída, como aconteceria se houvesse muitas estrelas, o gás não teria essa rotação kepleriana perfeita.
Como o movimento kepleriano é regido por leis simples da gravidade, a equipe conseguiu usar as medições da velocidade do gás para calcular diretamente a massa do buraco negro, um feito que não havia sido possível anteriormente.
Eles descobriram que o buraco negro não só é imenso — com aproximadamente 50 milhões de massas solares — como também constitui, no mínimo, dois terços da massa total do quasar QSO1.
Telescópio Espacial James Webb. O Webb é o principal observatório da próxima década, servindo milhares de astrônomos em todo o mundo. Ele estuda todas as fases da história do nosso Universo. Imagem: NASA
Essa proporção é milhares de vezes maior do que em galáxias próximas, onde buracos negros supermassivos representam apenas uma pequena fração da massa total da galáxia hospedeira.
Os mapas de composição do IFU corroboraram esses resultados, mostrando que o gás em todo o QSO1 é quase inteiramente composto de hidrogênio e hélio, com muito pouco dos elementos mais pesados, como o oxigênio, que seriam esperados em uma galáxia rica em estrelas e detritos estelares.
Com uma metalicidade inferior a 0,5% da do Sol, o QSO1 é um dos ambientes galácticos mais puros já medidos.
“Este é um resultado fenomenal”, disse Maiolino. “É a primeira medição direta da massa de um buraco negro dentro do primeiro bilhão de anos após o Big Bang, e é consistente com as medições anteriores.”
A equipe acredita que isso é um bom sinal de que as suposições usadas para medições indiretas de massa são válidas e que as massas de outros buracos negros no universo primordial não foram superestimadas.
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O buraco negro observado deve ter nascido grande, no primeiro segundo do Universo, e não podem ter sido raros no início
A equipe acredita que os Pequenos Pontos Vermelhos, como o QSO1, não podem ter sido raros no início do universo e está analisando objetos semelhantes para descobrir se os buracos negros supermassivos realmente são anteriores às galáxias onde residem atualmente.
A massa descomunal do QSO1 em relação à sua galáxia hospedeira sugere que ele não pode ter se formado gradualmente a partir da fusão e alimentação de buracos negros muito menores, de massa estelar.
“Parece que encontramos um buraco negro que não possui uma galáxia hospedeira substancial e que antecede os processos estelares”, disse Juodžbalis. “Isso é muito empolgante porque é uma evidência de buracos negros primordiais ou buracos negros de colapso direto, que foram teorizados, mas ainda não confirmados.”
Em outra descoberta impressionante, a agua já existia a mais de 12 bilhões de anos. A água, o equivalente a 140 trilhões de vezes toda a água dos oceanos da Terra, está ao redor de um enorme buraco negro semelhante ao desta ilustração. Imagem: NASA/ESA
Independentemente de o buraco negro do QSO1 ter evoluído a partir de uma “semente pesada” que se formou no primeiro segundo do Big Bang ou um pouco mais tarde, a partir do colapso de uma nuvem gigante de gás, é quase certo que ele já nasceu grande e pode estar nos estágios iniciais de formação de uma galáxia ao seu redor.
A equipe acredita que os Pequenos Pontos Vermelhos, como o QSO1, não podem ter sido raros no início do universo e está analisando objetos semelhantes para descobrir se os buracos negros supermassivos realmente são anteriores às galáxias onde residem atualmente.
O Telescópio Espacial James Webb é o principal observatório de ciência espacial do mundo.
O Webb está desvendando mistérios em nosso sistema solar, explorando mundos distantes ao redor de outras estrelas e investigando as estruturas e origens misteriosas do nosso universo e o nosso lugar nele.
O Webb é um programa internacional liderado pela NASA com seus parceiros, a ESA (Agência Espacial Europeia) e a CSA (Agência Espacial Canadense).
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