A origem dos buracos negros supermassivos (BNSMs) - com massas que vão de milhões a milhares de milhões de massas solares - sempre esteve entre os enigmas centrais que o Telescópio Espacial James Webb (JWST) foi concebido para investigar.
Há mais de vinte anos, astrónomos tentam entender como estes colossos gravitacionais já poderiam existir quando o Universo tinha menos de mil milhões de anos. De acordo com os modelos cosmológicos mais aceites, os buracos negros mais massivos não teriam tido tempo suficiente para crescer pelos caminhos “convencionais” de formação e, sobretudo, por fusões sucessivas.
Observações recentes, porém, têm pressionado esses modelos e dado força a uma hipótese alternativa: a de que as “sementes” dos BNSMs podem ter surgido diretamente do colapso de grandes nuvens de gás cósmico - os chamados buracos negros de colapso direto (BNCDs).
A outra possibilidade é que, no Universo primordial, tenham existido estrelas (as estrelas de População III) com massa grande o bastante para deixar para trás buracos negros já muito massivos.
Indícios com o JWST de estrelas monstruosas no Universo primitivo
Com dados do JWST, uma equipa internacional encontrou o primeiro conjunto de evidências a favor da ideia de que “estrelas monstruosas” com 1,000 to 10,000 massas solares existiram no Universo inicial.
A equipa foi liderada por Devesh Nandal, bolseiro de pós-doutoramento da Fundação Nacional Suíça para a Ciência, ligado à Universidade da Virgínia e ao Instituto de Teoria e Computação (ITC) no Centro Harvard & Smithsonian de Astrofísica (CfA).
Juntaram-se a ele Daniel Whalen, professor sénior de Cosmologia no Instituto de Cosmologia e Gravitação (ICG) da Universidade de Portsmouth; Muhammad A. Latif, astrofísico da Universidade dos Emirados Árabes Unidos (UAEU); e Alexander Heger, investigador da Escola de Física e Astronomia da Universidade Monash.
A galáxia GS 3073 e a assinatura química do nitrogénio
Com o JWST, o grupo analisou assinaturas químicas na GS 3073, uma galáxia inicialmente identificada em 2022 por Latif, Whalen e colegas do Instituto de Astronomia (IfA) da Universidade de Edimburgo, da Universidade de Exeter e do Centro de Pesquisa Herzberg de Astronomia e Astrofísica.
Na época, a equipa que fez a descoberta destacou um rácio extremo de nitrogénio para oxigénio (0.46), muito acima do que qualquer tipo conhecido de estrela ou de explosão estelar conseguiria explicar. Isso levou os autores a propor que as primeiras estrelas do Universo - as de População III - se formaram a partir de escoamentos turbulentos de gás frio, algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang.
Os investigadores também observaram que a GS 3073 abriga, no seu centro, um buraco negro em intensa fase de alimentação, que poderia ser o remanescente de uma dessas “estrelas monstruosas”. Segundo eles, um objeto estelar desse tipo ajudaria a esclarecer por que o Webb já detetou múltiplos quasares existentes com menos de 1 mil milhões de anos após o Big Bang.
Esse brilho extremo, também associado aos núcleos galácticos ativos (NGAs), ocorre quando BNSMs no centro das galáxias aceleram o gás e a poeira que caem em direção a eles até velocidades próximas à da luz. No processo, enormes quantidades de energia são libertadas, fazendo com que a região central, temporariamente, brilhe mais do que todas as estrelas do disco.
Nandal afirmou num comunicado de imprensa da Universidade de Portsmouth:
"As abundâncias químicas funcionam como uma impressão digital cósmica, e o padrão em GS3073 não se parece com nada que estrelas comuns consigam produzir. O seu nitrogénio extremo corresponde apenas a um tipo de fonte que conhecemos - estrelas primordiais milhares de vezes mais massivas do que o nosso Sol.
Isto diz-nos que a primeira geração de estrelas incluiu objetos verdadeiramente supermassivos, que ajudaram a moldar as galáxias iniciais e podem ter lançado as sementes dos buracos negros supermassivos de hoje."
O mecanismo que poderia produzir o rácio 0.46 em GS 3073
Para colocar essa hipótese à prova, Latif, Whalen e colaboradores simularam a evolução de estrelas com 1,000 to 10,000 massas solares e quais elementos químicos elas produziriam. Com isso, conseguiram apontar um mecanismo específico capaz de gerar o rácio de nitrogénio para oxigénio medido em GS3073.
O processo começa quando as estrelas monstruosas fundem hélio no núcleo e formam carbono. Parte desse carbono “vaza” para a camada ao redor, onde ocorre a fusão de hidrogénio. Ali, o carbono combina-se com o hidrogénio e dá origem ao nitrogénio, que é redistribuído pelo interior estelar por correntes convectivas e, mais tarde, expelido para o espaço.
Esse ciclo prossegue enquanto houver fusão de hélio no núcleo (durante milhões de anos), enriquecendo a nuvem de gás ao redor até que se observe o rácio nitrogénio/oxigénio reportado. O modelo da equipa também indica que essas estrelas monstruosas não terminam a vida em supernovas; em vez disso, colapsam diretamente, formando buracos negros massivos que funcionam como as “sementes” dos BNSMs atuais.
Os autores ainda concluíram que esta assinatura de nitrogénio não aparece em estrelas com massas fora dessa faixa - nem menores nem maiores. Caso se confirme, essa população de estrelas ajudaria a resolver dois mistérios que emergiram das observações anteriores do Webb.
Uma janela para as Eras Negras Cósmicas
Além disso, os resultados estão a abrir novas pistas sobre o Universo entre 380,000 e 1 mil milhões de anos após o Big Bang - período também chamado de “Eras Negras Cósmicas”.
Até há pouco tempo, essa época era praticamente inacessível à Astronomia: a luz desse intervalo é ténue demais para os instrumentos tradicionais detetarem hoje, exigindo ótica infravermelha de ponta como a do JWST. Os investigadores preveem que levantamentos futuros encontrarão mais galáxias com excessos semelhantes de nitrogénio, permitindo testar de forma mais abrangente a possível existência dessas estrelas monstruosas.
"A nossa descoberta mais recente ajuda a resolver um mistério cósmico de 20 anos", disse Whalen. "Com a GS 3073, temos a primeira evidência observacional de que estas estrelas monstruosas existiram. Estes gigantes cósmicos teriam ardido com enorme brilho por pouco tempo antes de colapsarem em buracos negros massivos, deixando para trás as assinaturas químicas que conseguimos detetar milhares de milhões de anos depois.
"Um pouco como os dinossauros na Terra - eram enormes e primitivos. E tiveram vidas curtas, vivendo apenas por um quarto de milhão de anos - um piscar de olhos cósmico."
Este artigo foi publicado originalmente pela Universe Today. Leia o artigo original.
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