Webb detecta buraco negro supermassivo ativo mais distante já encontrado até hoje

Pesquisadores descobriram o buraco negro supermassivo ativo mais distante até hoje com o Telescópio Espacial James Webb. A galáxia, CEERS 1019, existiu pouco mais de 570 milhões de anos após o big bang, e seu buraco negro é menos massivo do que qualquer outro já identificado no início do universo. Além disso, eles facilmente “sacudiram” mais dois buracos negros que também estão no lado menor e existiram 1 e 1,1 bilhão de anos após o big bang. Webb também identificou onze galáxias que existiam quando o universo tinha 470 a 675 milhões de anos. A evidência foi fornecida pela pesquisa Webb’s Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS), liderada por Steven Finkelstein, da Universidade do Texas em Austin. O programa combina imagens altamente detalhadas do infravermelho próximo e médio do Webb e dados conhecidos como espectros, todos usados para fazer essas descobertas.

Cerca de 100.000 galáxias aparecem nesta fina visão horizontal e costurada. A cobertura não é contínua, então as áreas entre as imagens de Webb são pretas. Cerca de 20 imagens quadradas foram tiradas para formar este mosaico.

Olhe profundamente para esta vasta paisagem. Foi costurado a partir de várias imagens capturadas pelo Telescópio Espacial James Webb em luz infravermelha próxima – e está praticamente pulsando com atividade. À direita do centro está um aglomerado de galáxias espirais brancas brilhantes que parecem estar se torcendo umas nas outras. Ao longo da cena, há espirais rosa claro que parecem cata-ventos girando ao vento. As estrelas brilhantes em primeiro plano, destacadas em azul, se anunciam com os proeminentes picos de difração de oito pontas de Webb. Não perca uma visão não convencional: na linha inferior, encontre o segundo quadrado da extrema direita. Em sua borda direita, uma galáxia azul disforme é equipada com aglomerados de estrelas cintilantes azuis e rosa.

Créditos: @@@@NASA%%%%, ESA, CSA, Steve Finkelstein (UT Austin), Micaela Bagley (UT Austin), Rebecca Larson (UT Austin)

O CEERS 1019 não é apenas notável por quanto tempo atrás ele existiu, mas também por quão relativamente pequeno seu buraco negro pesa. Este buraco negro tem cerca de 9 milhões de massas solares, muito menos do que outros buracos negros que também existiram no início do universo e foram detectados por outros telescópios. Esses gigantes normalmente contêm mais de 1 bilhão de vezes a massa do Sol – e são mais fáceis de detectar porque são muito mais brilhantes. (Eles estão “comendo” ativamente matéria, que se ilumina enquanto gira em direção ao buraco negro.) O buraco negro dentro do CEERS 1019 é mais semelhante ao buraco negro no centro de nossa galáxia, a @@@@Via Láctea%%%%, que tem 4,6 milhões de vezes a massa do sol. Este buraco negro também não é tão brilhante quanto os gigantes mais massivos detectados anteriormente. Embora menor, esse buraco negro existia há tanto tempo que ainda é difícil explicar como se formou logo após o início do universo. Os pesquisadores sabem há muito tempo que buracos negros menores devem ter existido anteriormente no universo, mas não foi até Webb começar a observar que eles foram capazes de fazer detecções definitivas. (O CEERS 1019 pode manter esse recorde apenas por algumas semanas – as alegações sobre outros buracos negros mais distantes identificados por Webb estão sendo cuidadosamente revisadas pela comunidade astronômica.)

Os dados de Webb estão praticamente transbordando de informações precisas que tornam essas confirmações tão fáceis de extrair dos dados. “Observar este objeto distante com este telescópio é como observar dados de buracos negros que existem em galáxias próximas à nossa”, disse Rebecca Larson, da Universidade do Texas em Austin, que liderou esta descoberta. “Existem tantas linhas espectrais para analisar!” A equipe não apenas conseguiu desvendar quais emissões no espectro são do buraco negro e quais são de sua galáxia hospedeira, mas também identificar quanto gás o buraco negro está ingerindo e determinar a taxa de formação estelar de sua galáxia.

A equipe descobriu que esta galáxia está ingerindo o máximo de gás possível, ao mesmo tempo em que produz novas estrelas. Eles se voltaram para as imagens para explorar por que isso poderia acontecer. Visualmente, o CEERS 1019 aparece como três aglomerados brilhantes, não como um único disco circular. “Não estamos acostumados a ver tanta estrutura em imagens a essas distâncias”, disse Jeyhan Kartaltepe, membro da equipe do CEERS, do Instituto de Tecnologia de Rochester, em Nova York. “Uma fusão de galáxias pode ser parcialmente responsável por alimentar a atividade no buraco negro desta galáxia, e isso também pode levar ao aumento da formação de estrelas.”

Mais buracos negros extremamente distantes, galáxias entram em cena

A Pesquisa CEERS é extensa e há muito mais para explorar. O membro da equipe Dale Kocevski do Colby College em Waterville, Maine, e a equipe rapidamente identificaram outro par de pequenos buracos negros nos dados. O primeiro, dentro da galáxia CEERS 2782, foi o mais fácil de identificar. Não há poeira obscurecendo a visão de Webb, então os pesquisadores puderam determinar imediatamente quando seu buraco negro existiu na história do universo – apenas 1,1 bilhão de anos após o big bang. O segundo buraco negro, na galáxia CEERS 746, existia um pouco antes, 1 bilhão de anos após o big bang. Seu brilhante disco de acreção, um anel feito de gás e poeira que circunda seu buraco negro supermassivo, ainda está parcialmente encoberto pela poeira. “O buraco negro central é visível, mas a presença de poeira sugere que ele pode estar dentro de uma galáxia que também está bombeando estrelas furiosamente”, explicou Kocevski.

Como o do CEERS 1019, esses dois buracos negros também são “pesos leves” – pelo menos quando comparados aos buracos negros supermassivos conhecidos anteriormente nessas distâncias. Eles têm apenas cerca de 10 milhões de vezes a massa do Sol. “Os pesquisadores sabem há muito tempo que deve haver buracos negros de menor massa no início do universo. O Webb é o primeiro observatório que pode capturá-los com tanta clareza”, acrescentou Kocevski. “Agora pensamos que buracos negros de menor massa podem estar por toda parte, esperando para serem descobertos.” Antes de Webb, todos os três buracos negros eram fracos demais para serem detectados. “Com outros telescópios, esses alvos parecem galáxias formadoras de estrelas comuns, não buracos negros supermassivos ativos”, acrescentou Finkelstein.

Os espectros sensíveis de Webb também permitiram que esses pesquisadores medissem distâncias precisas e, portanto, as idades das galáxias no início do universo. Os membros da equipe Pablo Arrabal Haro do NOIRLab da NSF e Seiji Fujimoto da Universidade do Texas em Austin identificaram 11 galáxias que existiam 470 a 675 milhões de anos após o big bang. Além de estarem extremamente distantes, é notável o fato de tantas galáxias brilhantes terem sido detectadas. Os pesquisadores teorizaram que o Webb detectaria menos galáxias do que as encontradas a essas distâncias. “Estou impressionado com a quantidade de espectros altamente detalhados de galáxias remotas que Webb retornou”, disse Arrabal Haro. “Esses dados são absolutamente incríveis.”

Essas galáxias estão formando estrelas rapidamente, mas ainda não são tão enriquecidas quimicamente quanto as galáxias muito mais próximas de casa. “Webb foi o primeiro a detectar algumas dessas galáxias”, explicou Fujimoto. “Este conjunto, junto com outras galáxias distantes que podemos identificar no futuro, pode mudar nossa compreensão da formação estelar e evolução galáctica ao longo da história cósmica”, acrescentou.

Estas são apenas as primeiras descobertas inovadoras da pesquisa CEERS. “Até agora, a pesquisa sobre objetos no início do universo era amplamente teórica”, disse Finkelstein. “Com o Webb, não só podemos ver buracos negros e galáxias a distâncias extremas, como também podemos começar a medi-los com precisão. Esse é o tremendo poder deste telescópio.” No futuro, é possível que os dados de Webb também possam ser usados para explicar como os primeiros buracos negros se formaram, revisando os modelos dos pesquisadores de como os buracos negros cresceram e evoluíram nas primeiras centenas de milhões de anos da história do universo.

Vários artigos iniciais sobre os dados do CEERS Survey foram aceitos pelo The Astrophysical Journal Letters: “A CEERS Discovery of an Accreting Supermassive Black Hole 570 Myr after the Big Bang: Identificating a Progenitor of Massive z > 6 Quasars,” liderado por Larson, “Hidden Little Monsters: Spectroscopic Identification of Low-Mass, Broad-Line AGN at z > 5 with CEERS,” conduzido por Kocevski, “Spectroscopic confirmação of CEERS NIRCam-selected galaxies at z≃8−10,” conduzido por Arrabal Haro, e “ CEERS Spectroscopic Confirmation of NIRCam-Selected z ≳ 8 Galaxy Candidates with JWST/NIRSpec: Initial Characterization of their Properties,” liderado por Fujimoto.

O Telescópio Espacial James Webb é o principal observatório de ciência espacial do mundo. Webb resolverá mistérios em nosso sistema solar, olhará além para mundos distantes ao redor de outras estrelas e investigará as misteriosas estruturas e origens de nosso universo e nosso lugar nele. O Webb é um programa internacional liderado pela @@@@NASA%%%% com seus parceiros, a ESA (Agência Espacial Européia) e a Agência Espacial Canadense.