Novas Descobertas sobre Buracos Negros Supermassivos Primitivos

Estudos recentes apontaram a presença de muitos Buracos Negros supermassivos logo após o Big Bang. Isso levantou perguntas sobre como esses buracos negros se formaram e cresceram. Algumas ideias sugerem que eles começaram como sementes pesadas que rapidamente puxaram gás, enquanto outros acham que eles começaram como sementes mais leves que passaram por explosões rápidas de captação de gás.

Nas nossas descobertas mais recentes, detectamos uma Linha de Emissão de Hidrogênio ampla em uma galáxia distante, conhecida como JADES GN+189.09144+62.22811 1146115, que fica a cerca de 13 bilhões de anos-luz de distância. Essa galáxia tem um buraco negro que está acumulando matéria a uma taxa lenta, apenas 0,02 vezes a taxa máxima esperada para seu tamanho. Essa galáxia também mostra uma taxa baixa de Formação de Estrelas, cerca de três vezes abaixo do que normalmente vemos em Galáxias desse tipo.

A relação entre a massa do buraco negro e a massa das estrelas nessa galáxia é extremamente alta, cerca de 1.000 vezes maior do que o que normalmente observamos por perto. No entanto, quando comparamos com a massa total da galáxia e com a velocidade com que ela se move, tudo começa a parecer mais normal. Esse buraco negro é provavelmente só um de muitos buracos negros silenciosos que existiram em um tempo em que estrelas e galáxias estavam se formando rapidamente.

As propriedades desse buraco negro sustentam um modelo onde houve breves períodos de intensa captação de gás, o que permitiu que o buraco negro crescesse rápido. Entre esses períodos de alimentação, o buraco negro permanece quieto.

#Observações e Coleta de Dados

A galáxia foi observada usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST) como parte do projeto JADES, que tem como objetivo estudar galáxias do início do Universo. Para essa pesquisa, dois instrumentos do JWST, NIRCam e NIRSpec, foram usados para coletar dados. Os espectros do NIRSpec forneceram várias linhas espectrais revelando a distância e as propriedades da galáxia.

A assinatura da linha de hidrogênio foi detectada como parte de um espectro de emissão mais amplo. Essa característica ampla indica que podemos estar observando um buraco negro em acreção, que é uma pista sobre seu nível de atividade. A ausência de características amplas semelhantes em outras linhas sugere que o que vemos não se deve a explosões de estrelas morrendo, ou supernovas, mas sim está relacionado ao ambiente do buraco negro.

Para garantir a precisão, examinamos se essa linha ampla poderia ser causada por algo além da atividade do buraco negro. A análise descartou qualquer contribuição de supernovas devido à natureza estável dos sinais que recebemos.

Quando ajustamos os dados, a linha de hidrogênio ampla revelou uma largura e força que nos permitiram estimar a massa do buraco negro. Considerando vários fatores, chegamos a uma estimativa de massa que coloca esse buraco negro dentro de um intervalo razoável dada sua vizinhança.

#Características da Galáxia Hospedeira

A galáxia hospedeira foi estudada mais a fundo através de técnicas de imagem em várias bandas de luz. O AGN, ou Núcleo Galáctico Ativo, foi encontrado relativamente fraco, permitindo que entendêssemos melhor as características da própria galáxia.

Usando ferramentas específicas, conseguimos decompor a luz vinda do buraco negro e da galáxia, obtendo medições confiáveis para ambos. A galáxia hospedeira tinha uma estrutura compacta e uma forma de disco, sugerindo um processo de formação bem organizado.

As estimativas mais confiáveis para a taxa de formação de estrelas indicaram que ela tem formado estrelas a uma taxa constante por centenas de milhões de anos. No entanto, quando comparamos essa galáxia com outras de tamanho semelhante do mesmo período, descobrimos que ela era menos ativa em produzir novas estrelas. Levaria cerca de um bilhão de anos para dobrar sua massa atual a essa taxa.

A atividade do buraco negro pode fornecer uma pista para explicar o estado tranquilo da galáxia, indicando que o buraco negro poderia estar impedindo a formação de novas estrelas através do que é conhecido como feedback.

#Comparação com Outras Galáxias e Buracos Negros

Ao comparar nossas descobertas sobre JADES GN 1146115 com outras galáxias com buracos negros ativos, observamos que nosso objeto está entre os buracos negros mais massivos já encontrados em observações do JWST. No entanto, sua taxa de atividade atual é significativamente menor do que a de muitos outros quasares de alto vermelho deslocado. Isso nos leva a acreditar que é um buraco negro dormente, existindo tranquilamente enquanto outras galáxias estão ativamente formando novas estrelas.

A massa do nosso buraco negro é tão grande que é quase metade da massa total das estrelas em sua galáxia. Isso é incomum porque, em galáxias próximas, a relação entre a massa do buraco negro e a massa estelar é muito menos extrema.

Alguns estudos sugerem que buracos negros antigos são supermassivos apenas quando comparados às estrelas em suas galáxias respectivas. No entanto, ao olhar para a dinâmica maior e o movimento de suas galáxias hospedeiras, eles se alinham mais com o que vemos em galáxias locais. Isso indica que a massa de gás necessária para formar a galáxia hospedeira provavelmente já estava lá, com a lenta formação de estrelas possivelmente sendo devido à influência da atividade do buraco negro.

#Implicações Teóricas

A presença de buracos negros supermassivos durante o início do universo aponta para vários modelos de como os buracos negros poderiam ter se formado. Algumas teorias propõem que eles surgiram de sementes relativamente grandes que não cresceram rapidamente. Outras sugerem que eles começaram como sementes menores que ganharam massa durante períodos de rápida captação de gás, especialmente durante a colisão de galáxias.

Ao simular esses cenários, aprendemos que cenários envolvendo acreção super-Eddington - onde buracos negros puxam mais do que o limite normal esperado - poderiam explicar melhor as propriedades que observamos em JADES GN 1146115. Essas simulações mostram que fases super-Eddington permitiram que o buraco negro crescesse rapidamente durante explosões curtas enquanto também permanecia dormente por longos períodos.

#Desafios Observacionais

Apesar de nossas descobertas, muitos buracos negros dormentes no início do universo provavelmente permanecem indetectados. Nossas observações indicam que a pesquisa JADES tende a favorecer a detecção de galáxias mais ativas, enquanto aquelas mais tranquilas ou menos luminosas são muito mais difíceis de encontrar. Durante nosso estudo, encontramos apenas um buraco negro dormente entre 35 galáxias que almejamos na mesma área de pesquisa.

Isso ressalta a ideia de que buracos negros dormentes podem ser bastante comuns no início do universo, apesar de serem difíceis de observar. O desafio em encontrar esses buracos negros enfatiza a importância de estudos futuros e melhorias nas técnicas de observação.

#Conclusão

Nossa pesquisa destaca as complexidades em torno da formação e crescimento de buracos negros supermassivos durante o início do universo. A detecção de um buraco negro dormente em uma galáxia relativamente tranquila abre portas para entender os processos envolvidos na evolução dos buracos negros.

Conforme continuamos a coletar mais dados de telescópios avançados como o JWST, esperamos aprender mais sobre as características e comportamentos dessas entidades massivas, nos dando melhores insights sobre a história do universo e como as galáxias, incluindo a nossa, vieram a existir.