Buracos negros e quasares formaram-se menos de mil milhões de anos após o Big Bang

Buracos negros supermassivos parecem existir no centro de cada galáxia, datando de algumas das primeiras galáxias do universo. Não temos ideia de como eles chegaram lá. Não deveria ser possível que elas crescessem de remanescentes de supernovas para tamanhos enormes tão rapidamente como o fazem. Não temos conhecimento de nenhum outro mecanismo que possa formar algo suficientemente grande para que o crescimento exponencial não seja necessário.

A aparente impossibilidade de buracos negros supermassivos no universo primitivo era de fato um problema menor; O Telescópio Espacial James Webb piorou a situação ao encontrar exemplos anteriores de galáxias com buracos negros supermassivos. No exemplo mais recente, os investigadores usaram Webb para caracterizar um quasar alimentado por um buraco negro supermassivo, tal como existia cerca de 750 milhões de anos após o Big Bang. E parece chocantemente normal.

Olhando para trás no tempo

Os quasares são os objetos mais brilhantes do universo, alimentados ativamente por buracos negros supermassivos. A galáxia que os rodeia fornece-lhes material suficiente para formar discos de acreção brilhantes e jatos poderosos, ambos os quais emitem grandes quantidades de radiação. Muitas vezes estão parcialmente cobertos por poeira, que brilha como resultado da absorção de parte da energia emitida pelo buraco negro. Esses quasares emitem tanta radiação que eventualmente empurram algum material próximo para fora da galáxia.

Assim, a presença destas características no Universo primitivo diria-nos que os buracos negros supermassivos não só existiram no Universo primitivo, mas também foram incorporados nas galáxias, tal como o são mais recentemente. Mas seus estudos foram muito difíceis. Para começar, não identificamos muitos deles; Existem apenas nove quasares que datam de antes, quando o universo tinha 800 milhões de anos. Devido a esta distância, é difícil identificar características, e o desvio para o vermelho causado pela expansão do Universo retira a intensa radiação ultravioleta de muitos elementos e estende-a até ao infravermelho profundo.

No entanto, o telescópio Webb foi projetado especificamente para detectar objetos no universo primitivo através de sua sensibilidade aos comprimentos de onda infravermelhos onde esta radiação aparece. Portanto, a nova pesquisa baseia-se em apontar Webb para o primeiro dos nove quasares descobertos, J1120+0641.

E parece… extremamente normal. Ou pelo menos muito semelhantes aos quasares de períodos mais recentes da história do universo.

Principalmente normal

Os investigadores analisaram a continuidade da radiação do quasar e encontraram indicações claras de que estava incrustado numa massa de material quente e poeirento, como visto em quasares posteriores. Esta poeira é um pouco mais quente do que alguns quasares modernos, mas isto parece ser uma característica comum destes objetos nas fases iniciais da história do Universo. A radiação do disco de acreção também aparece no espectro de emissão.

Diferentes métodos para estimar valores produzidos em massa para um buraco negro na região de 10⁹ Muitas vezes a massa do Sol, colocando-o claramente na região do buraco negro supermassivo. Há também evidências, a partir de uma ligeira mudança para o azul em parte da radiação, de que o quasar está expelindo material a uma velocidade de cerca de 350 quilômetros por segundo.

Existem algumas esquisitices. A primeira é que o material também parece estar caindo para dentro a cerca de 300 quilômetros por segundo. Isso pode ser causado pelo material girando para longe de nós no disco de acreção. Mas se for assim, ele deverá ser enfrentado por material girando em nossa direção, do outro lado do disco. Isto foi observado várias outras vezes em quasares muito antigos, mas os investigadores reconhecem que “a origem física deste efeito é desconhecida”.

Uma opção que sugerem como explicação é que todo o quasar está em movimento, sacudido da sua posição no centro galáctico por uma fusão anterior com outro buraco negro supermassivo.

Outra coisa estranha é que há também um fluxo muito rápido de carbono altamente ionizado, movendo-se duas vezes mais rápido do que nos quasares em épocas posteriores. Já vimos isso antes, mas também não há explicação para isso.

Como isso aconteceu?

Apesar das estranhezas, este objeto se assemelha muito aos quasares recentes: “Nossas observações mostram que as estruturas complexas do toro empoeirado e da estrela [accretion disk] Pode provar seu valor em torno de um [supermassive black hole] “Menos de 760 milhões depois do Big Bang.”

Novamente, isto é um pouco problemático porque sugere a presença de um buraco negro supermassivo embutido na sua galáxia hospedeira muito cedo na história do Universo. Para atingir os tamanhos mostrados aqui, os buracos negros empurram o chamado limite de Eddington, que é a quantidade de material que podem absorver antes que a radiação resultante expulse o material próximo, sufocando o suprimento de alimento do buraco negro.

Isto sugere duas opções. A primeira é que estes objetos absorveram material muito além do limite de Eddington durante a maior parte da sua história, algo que não observámos e certamente não é verdade neste quasar. A outra opção é que eles começaram muito bem (por volta das 10⁴ vezes a massa do Sol) e continuou a alimentar-se a uma taxa mais razoável. Mas não sabemos realmente como algo tão grande poderia se formar.

Portanto, o universo primitivo continua sendo um lugar um tanto confuso.

Astronomia Natural, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (Sobre IDs digitais).