Buraco negro supermassivo em LID-568 no Universo primitivo devora 40 vezes acima do limite de Eddington

Um buraco negro supermassivo em LID-568 que ultrapassa o limite de Eddington

Um buraco negro supermassivo no Universo primitivo acaba de se tornar o exemplo mais faminto já observado desse tipo. Ele fica no centro da galáxia LID-568 e é visto como era apenas 1,5 bilhão de anos após o Big Bang - numa época em que o cosmos ainda estava a formar as suas primeiras grandes estruturas.

As medições indicam que esse objeto está a engolir matéria a uma taxa impressionante: mais de 40 vezes acima de um teto teórico conhecido como limite de Eddington. Nunca se registou algo semelhante, e o achado pode ajudar a enfrentar um dos grandes enigmas da cosmologia: como buracos negros supermassivos conseguem atingir massas tão enormes tão depressa depois do Big Bang.

"Este buraco negro está a fazer um banquete", afirma a astrónoma Julia Scharwächter, do Observatório Gemini e do NOIRLab da NSF. "Este caso extremo mostra que um mecanismo de alimentação rápida acima do limite de Eddington é uma das explicações possíveis para o motivo de vermos buracos negros tão pesados tão cedo no Universo."

O que é o limite de Eddington e por que ele trava a alimentação

O limite de Eddington surge naturalmente quando um buraco negro se alimenta de forma ativa. Ao atrair grandes quantidades de gás e poeira, esse material não cai em linha reta para o poço gravitacional: primeiro ele se organiza num disco de acreção, girando como água em torno de um ralo, e só a região mais interna do disco acaba por cruzar o horizonte de eventos e desaparecer.

Nesse processo, o atrito e a gravidade aquecem o disco a temperaturas extremas, fazendo-o brilhar intensamente. E a luz, além de transportar energia, também exerce pressão.

Um único fóton não muda grande coisa; porém, num disco de acreção brilhante de um buraco negro supermassivo ativo, a radiação torna-se capaz de empurrar a matéria para fora. Chega um ponto em que a pressão de radiação voltada para o exterior equilibra a atração gravitacional voltada para o interior, e isso impede que mais material avance rumo ao buraco negro. Esse patamar é o limite de Eddington.

Acreção supereddingtoniana: quando o buraco negro consegue ir além

Mesmo assim, é possível ultrapassar esse teto. Quando a alimentação excede o limite, o fenómeno recebe o nome de acreção supereddingtoniana: o buraco negro passa a incorporar massa de maneira muito rápida, acumulando o máximo que consegue antes de a pressão de radiação dominar e conter o fluxo.

Esse tipo de episódio é uma das hipóteses mais fortes para explicar como buracos negros supermassivos, no alvorecer do Universo, alcançaram massas que hoje parecem difíceis de justificar apenas com um crescimento “normal”.

Como o JWST e o Chandra chegaram até a galáxia LID-568

Numa investigação liderada pela astrónoma Hyewon Suh, do Observatório Gemini e do NOIRLab da NSF, uma equipa de cientistas usou o Telescópio Espacial James Webb (JWST) para observar mais detalhadamente um conjunto de galáxias previamente identificadas pelo Observatório de Raios X Chandra. Essas galáxias chamavam atenção por serem brilhantes em raios X, mas fracas noutras faixas do espectro.

Ao analisar a LID-568, surgiu um obstáculo: determinar a sua distância (e, portanto, a sua época no espaço-tempo) não era simples. A galáxia era muito pouco luminosa e difícil de distinguir; ainda assim, com o espectrógrafo de campo integral do instrumento NIRSpec do JWST, o grupo conseguiu fixar com precisão a posição exata do alvo.

A localização tão distante da LID-568 surpreende. Mesmo parecendo fraca do nosso ponto de observação, a grande distância implica que ela precisa ser intrinsecamente muito brilhante. Observações detalhadas revelaram ainda saídas de matéria extremamente energéticas associadas ao buraco negro supermassivo - uma marca típica de acreção, na qual parte do gás em queda é desviada e lançada para o espaço.

O que os dados mostram sobre massa, brilho e crescimento rápido

Uma análise cuidadosa dos dados indicou que, apesar do comportamento extremo, o buraco negro em si é relativamente pequeno para a categoria “supermassivo”: a sua massa é de 7,2 milhões de vezes a massa do Sol. Ainda assim, a luminosidade produzida pelo material em torno do disco de acreção era muito, muito maior do que se esperaria de um buraco negro com essa massa.

Essa discrepância aponta para uma taxa de acreção cerca de 40 vezes acima do limite de Eddington. Se a interpretação estiver correta, trata-se de um período supereddingtoniano muito intenso.

Como um regime de alimentação tão exagerado tende a durar pouco, Suh e colegas tiveram, ao que tudo indica, muita sorte ao observar o fenómeno “ao vivo”. A expectativa é que a LID-568 se torne um alvo frequente para quem estuda buracos negros, justamente por oferecer uma oportunidade rara de acompanhar processos supereddingtonianos em detalhe.

Esse tipo de resultado também se encaixa na busca por explicar o Universo primordial. Há indícios de que os primeiros buracos negros supermassivos talvez não tenham surgido do colapso de estrelas como as que conhecemos hoje, mas sim de estrelas enormes e de grandes aglomerados de gás que colapsaram diretamente sob a própria gravidade. Um começo assim daria uma vantagem inicial para se tornarem os gigantes observados no Universo atual. Explosões de acreção supereddingtoniana podem ser mais uma peça desse quebra-cabeça.

"A descoberta de um buraco negro com acreção supereddingtoniana sugere que uma parcela significativa do crescimento de massa pode ocorrer durante um único episódio de alimentação rápida", diz Suh, "independentemente de o buraco negro ter se originado de uma semente leve ou pesada".

A pesquisa foi publicada na revista Nature Astronomy.