Telescópio Espacial James Webb encontra indícios de buraco negro supermassivo em GHZ2 a 350 milhões de anos após o Big Bang

Usando o Telescópio Espacial James Webb, uma equipa que analisa uma galáxia minúscula e muito distante chamada GHZ2 encontrou indícios de um buraco negro supermassivo em alimentação ativa, observado como era apenas 350 milhões de anos após o Big Bang - um resultado que pode obrigar a rever as ideias sobre como surgiram os primeiros buracos negros.

Um suspeito recordista numa galáxia minúscula

A GHZ2 apareceu pela primeira vez nos dados do Webb em 2022, entre muitas galáxias extremamente distantes. A sua luz viajou cerca de 13,4 mil milhões de anos até chegar à Terra, o que significa que os astrónomos estão a olhar para um período em que o Universo ainda estava nos seus primeiros passos.

O que diferenciou esta galáxia não foi o quão ténue parecia no geral, mas o facto de surgir de forma estranhamente brilhante em determinadas cores de luz infravermelha. Essas cores funcionam como impressões digitais dos átomos dentro da GHZ2 e sugeriam que algo de energia muito elevada está a acontecer no centro da galáxia.

"A nova análise sugere que a GHZ2 pode abrigar o buraco negro supermassivo mais distante alguma vez identificado, transformando um ponto desfocado num caso de teste decisivo para a física do Universo primordial."

O estudo da equipa, publicado no servidor de pré-publicações arXiv em 4 de novembro e ainda à espera de revisão por pares, baseia-se em dados de dois instrumentos centrais do Webb: o Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) e o Mid-Infrared Instrument (MIRI). Em conjunto, eles permitem separar a luz da galáxia num espectro e examiná-la linha a linha.

A ler a luz: o que dizem as linhas de emissão

As galáxias não brilham apenas de forma suave e contínua. Elas exibem picos estreitos de brilho em comprimentos de onda muito específicos, chamados linhas de emissão. Essas linhas surgem quando átomos ou iões são excitados e depois libertam essa energia na forma de luz.

No caso da GHZ2, esses picos são invulgarmente intensos, e vários pertencem a um conjunto a que os cientistas chamam “linhas de alta ionização”. Elas indicam gás que foi atingido por radiação extremamente energética.

"O espectro da GHZ2 mostra emissão de alta energia que estrelas jovens comuns têm dificuldade em gerar, apontando para uma fonte de energia mais exótica no seu núcleo."

Um sinal chamou atenção de imediato: uma linha C IV forte, produzida por carbono triplicamente ionizado - átomos de carbono a que foram removidos três eletrões. Gerar esse estado exige um fluxo de fotões de energia muito elevada.

Estrelas muito massivas e quentes conseguem ionizar gás, mas há um limite para o que podem produzir. A intensidade da linha C IV na GHZ2 vai além do que os modelos padrão de galáxias com formação estelar conseguem explicar com conforto. Em contrapartida, um núcleo galáctico ativo (AGN) - gás a rodopiar e a cair num buraco negro supermassivo - gera naturalmente este tipo de radiação mais “dura”.

Um sistema misto: estrelas e algo mais agressivo

A equipa construiu modelos detalhados que combinavam a luz de estrelas comuns com a luz esperada de um AGN. Depois, ajustou esses modelos repetidas vezes para ver que mistura reproduzia melhor os dados do Webb.

Eles concluíram que muitas das características no visível e no infravermelho próximo podem, sim, ser explicadas apenas por formação estelar intensa. Contudo, a linha do carbono e outros sinais de alta ionização continuavam a exigir uma fonte adicional, mais energética.

Isso aponta com força para uma galáxia “composta”: uma em que uma população estelar jovem e um buraco negro em alimentação estão a brilhar ao mesmo tempo.

• A formação estelar explica a maioria das linhas de emissão de baixa e média energia.
• As linhas de alta ionização, sobretudo a C IV, favorecem um buraco negro ativo.
• A GHZ2 provavelmente reúne nascimento estelar intenso e um AGN central.

Ainda assim, o cenário não é totalmente linear. A GHZ2 não apresenta alguns sinais clássicos de AGN normalmente vistos em galáxias próximas, como certos rácios entre linhas e determinadas características no infravermelho médio. Isso mantém abertas alternativas.

Uma hipótese é que a GHZ2 contenha estrelas extremamente massivas e de vida curta, com centenas ou milhares de vezes a massa do Sol, capazes de produzir radiação mais dura do que estrelas típicas. Outra possibilidade é que a população estelar inicial desta galáxia se comporte de maneira diferente das estrelas em galáxias modernas, alterando o padrão esperado das linhas de emissão.

Por que um buraco negro tão cedo é um problema

Se a GHZ2 realmente abriga um buraco negro supermassivo tão cedo na história cósmica, surge uma questão difícil: como ele ficou tão grande em tão pouco tempo?

Um buraco negro começa pequeno e cresce ao engolir gás, poeira e estrelas, ou ao fundir-se com outros buracos negros. Mas um Universo com apenas 350 milhões de anos ainda não teve muito tempo para formar um objeto com milhões de vezes a massa do Sol.

"A GHZ2 cai bem no centro de um debate aceso sobre se os primeiros buracos negros começaram pequenos e cresceram de forma explosiva, ou se já nasceram pesados."

Os astrónomos costumam discutir duas possibilidades principais:

Tipo de semente	Ideia de origem	Desafio de crescimento
Semente leve	Remanescentes da primeira geração de estrelas massivas, com algumas dezenas a centenas de massas solares	Precisa crescer absurdamente rápido, quase sem interrupção, para chegar a milhões de massas solares tão cedo
Semente pesada	Colapso direto de enormes nuvens de gás, começando com dezenas de milhares a centenas de milhares de massas solares	Exige condições raras em que o gás colapsa sem antes se fragmentar em estrelas normais

A GHZ2 pode funcionar como um laboratório natural para testar esses cenários. Se observações futuras conseguirem estimar a massa do buraco negro e a sua taxa de alimentação, os astrónomos poderão verificar se uma semente leve conseguiria, de forma plausível, crescer tanto em apenas algumas centenas de milhões de anos - ou se uma semente pesada faz mais sentido.

Próximos passos para o Webb e telescópios em terra

Os dados atuais, apesar de chamativos, ainda deixam margem para dúvidas. A equipa quer espectros mais nítidos e profundos de várias linhas de emissão críticas, o que requer mais tempo de observação com o Webb.

Observações com maior resolução devem separar linhas sobrepostas e reduzir o ruído das medições, oferecendo uma visão mais clara das condições do gás perto do centro galáctico. Isso ajudaria a confirmar se a radiação ionizante segue de facto padrões típicos de AGN, e não de luz estelar fora do comum.

Os investigadores também planeiam usar o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), no Chile, para observar linhas no infravermelho distante e gás frio. Essas medições podem indicar quanto gás existe para alimentar tanto o buraco negro quanto a formação de estrelas, além de revelar se esse gás é turbulento ou mais organizado.

"Se o AGN da GHZ2 for confirmado, isso estabeleceria um novo recorde de distância para um buraco negro supermassivo e ofereceria uma referência para modelos de galáxias primordiais."

A entender o jargão

Para quem não é especialista, alguns termos ajudam a interpretar o resultado.

Um núcleo galáctico ativo é a região central brilhante em torno de um buraco negro supermassivo que está, neste momento, a acumular matéria. À medida que o gás espirala para dentro, ele aquece e emite enormes quantidades de radiação em várias faixas do espectro, de raios X ao infravermelho.

Ionização é o processo de remover eletrões de átomos. Quanto mais eletrões são arrancados, maior é o estado de ionização e mais energética precisa ser a radiação que causou isso. Por isso, linhas de carbono triplicamente ionizado funcionam como um aviso: "há uma fonte de energia intensa a operar aqui".

O termo desvio para o vermelho (redshift) mede o quanto a expansão do Universo esticou a luz de objetos distantes. O grande desvio para o vermelho da GHZ2 significa que a luz originalmente ultravioleta foi deslocada para o infravermelho - exatamente a faixa para a qual o Webb foi concebido.

O que isto implica para a nossa imagem do Universo primordial

Resultados deste tipo entram diretamente nas simulações computacionais das primeiras galáxias. Os modeladores tentam recriar estruturas como a GHZ2, começando com condições pouco depois do Big Bang e deixando a gravidade e a física do gás evoluírem ao longo do tempo.

Se as simulações falharem repetidamente em produzir um sistema semelhante à GHZ2 com um buraco negro supermassivo aos 350 milhões de anos, isso indica que há algo em falta na física adotada: talvez entradas de gás mais eficientes, fusões mais frequentes ou novos caminhos para formar sementes pesadas.

Há também efeitos indiretos sobre a rapidez com que as galáxias se enriquecem com elementos mais pesados. Buracos negros ativos podem impulsionar saídas poderosas que expulsam gás de galáxias jovens. Esse “feedback” molda a formação estelar posterior, podendo alterar quando e onde se formam gerações seguintes de estrelas e, mais tarde, planetas.

Por agora, a GHZ2 ocupa uma espécie de lista cósmica de alvos prioritários. À medida que Webb e ALMA continuarem a observá-la, os astrónomos esperam determinar se esse ponto ténue realmente abriga o buraco negro supermassivo mais antigo já conhecido - ou se há algo ainda mais estranho a acontecer numa das primeiras galáxias do Universo.