Pequenos pontos vermelhos do Telescópio Espacial James Webb revelam jovens buracos negros supermassivos

Pesquisadores relatam que os enigmáticos pequenos pontos vermelhos detectados pelo Telescópio Espacial James Webb são, na verdade, jovens buracos negros supermassivos escondidos dentro de nuvens espessas de gás.

Ao levar em conta esse gás ao redor, os objetos revelam ser muito menos massivos do que se imaginava inicialmente, reduzindo as estimativas anteriores de massa em cerca de um fator de 100.

O que o Webb realmente viu

Nos espectros infravermelhos, muito nítidos, de vários pequenos pontos vermelhos, uma linha de hidrogénio aparece com um pico estreito e asas muito largas.

Partindo do formato dessa linha, investigadores da Universidade de Copenhague, na Dinamarca (UCPH), atribuíram as asas alargadas à presença de gás denso.

Segundo o grupo, a luz foi refletida por eletrões dentro do “casulo”, o que ampliou a linha sem exigir movimentos extremos.

Com esse casulo no caminho, as asas deixaram de ser um indicador direto da velocidade do gás, e a interpretação passou a depender sobretudo do material que envolve a fonte.

Por que as asas se alargaram

Em vez de gás a grande velocidade, o alargamento pode ser explicado por espalhamento por eletrões - isto é, luz a ricochetear em eletrões livres -, que pode esticar uma linha espectral em asas longas e suaves.

A cada colisão, um fotão muda ligeiramente de direção e de energia; após muitas colisões, a linha acaba “espalhada” para ambos os lados.

Quando a equipa da UCPH tentou ajustar os dados com uma curva simples em forma de sino, frequentemente usada para representar movimento aleatório, as diferenças que sobraram desenharam no gráfico um padrão claro em forma de W.

Esse traço em W indicava que o modelo falhava em capturar algo essencial tanto no centro como nas extremidades da linha. Já uma curva exponencial acompanhou os dados de forma contínua, sem essas discrepâncias.

Antes, as estimativas tratavam toda a largura como sinal de movimento; com isso, os mesmos dados inflavam as velocidades aparentes para milhares de quilómetros por segundo.

Massas caem drasticamente

Depois de descontar o efeito do espalhamento, o núcleo estreito passou a apontar para buracos negros com massas entre 100.000 e 10 milhões de vezes a massa do Sol.

Com base nesse núcleo mais “calmo”, a equipa estimou a velocidade orbital do gás próximo e usou esse valor como base para cada cálculo de massa.

Pela primeira vez, este resultado associa os pequenos pontos vermelhos a buracos negros tão pequenos - e não às versões enormes que muitos esperavam encontrar.

Começar com massas menores também torna mais simples explicar como alguns buracos negros cresceram até se tornarem gigantes tão cedo, pouco depois da formação das primeiras estrelas.

Dentro do casulo

A partir das asas da linha, o grupo inferiu casulos com apenas alguns dias-luz de extensão, envolvendo o centro brilhante.

Como a nuvem continha uma quantidade muito grande de eletrões livres, ela tornou-se espessa o suficiente para impedir que a maior parte dos raios X escapasse.

Mesmo assim, o aquecimento intenso e a radiação arrancaram quase todos os eletrões do gás, deixando-o num estado altamente energizado.

Nessas condições, os fotões ficaram a ricochetear no interior até o casulo redirecionar a energia para os comprimentos de onda em que o Webb é mais sensível.

Se essa camada reciclar a maior parte da potência emitida, o buraco negro tende a parecer discreto tanto em ondas de rádio quanto em raios X.

Fase de crescimento do buraco negro

O estudo propõe que esses buracos negros estejam a crescer perto do limite de Eddington, o ponto em que a luz produzida se torna forte o bastante para empurrar para fora contra o gás que cai para dentro.

À medida que o gás espirala para o interior, ele aquece e brilha, e essa luz pode travar a entrada do material ao exercer pressão sobre os eletrões.

Operar o sistema nesse regime também costuma arrefecer a região que gera raios X duros, tornando ainda mais fraca uma fonte que já está ocultada.

Se esta etapa for frequente, pode ser nela que os buracos negros supermassivos ganham a maior parte da massa antes de as estruturas galácticas se estabilizarem.

Por que os pontos pareciam galáxias

A maior parte da luz visível vinha de emissão nebular - o brilho do gás ao recombinar após a ionização -, e não de novas estrelas.

Como esse brilho é intenso em linhas e contínuos de hidrogénio, ele pode gerar a mudança abrupta de cor que chamou atenção.

Uma curvatura marcada perto do limite de Balmer, uma borda de comprimento de onda do hidrogénio que altera a inclinação do espectro, deu a muitos casos um aspeto em forma de V.

Quando quase toda a luz passa a vir do gás em torno de um buraco negro, o número de estrelas da galáxia hospedeira torna-se difícil de inferir apenas pelas cores.

Uma pista que enganou

Antes de a hipótese do casulo ganhar força, um estudo separado interpretou as asas do hidrogénio como evidência de que algo compacto estava a engolir matéria.

Nesse enquadramento, um núcleo galáctico ativo - um buraco negro a alimentar-se no centro de uma galáxia - seria a fonte de energia que iluminava o sistema e explicava a largura da linha.

“Velocidades tão extremas são uma prova irrefutável de um núcleo galáctico ativo”, escreveu Rodrigo Nemmen, astrofísico da Universidade de São Paulo, Brasil.

O novo trabalho manteve a explicação com buraco negro, mas reinterpretou as asas como produto de espalhamento, restando apenas movimentos modestos do gás nas proximidades do núcleo.

Mapeando os pequenos pontos vermelhos

Depois que as primeiras imagens científicas do Webb foram divulgadas em julho de 2022, pequenos pontos vermelhos começaram a surgir às dezenas em levantamentos profundos.

Neste estudo, os autores concentraram-se em 12 objetos com os espectros mais limpos e, em seguida, empilharam mais 18 para obter um sinal combinado.

Abrangendo desvio para o vermelho - uma pista de distância fornecida pela luz esticada - de 3,4 a 6,7, o conjunto permaneceu compacto e geralmente com aspeto pontual.

Como a equipa selecionou apenas espectros de alta qualidade, o resultado pode não representar todos os pequenos pontos vermelhos que o Webb já encontrou.

O que pode vir a seguir

Raios X suaves podem ser absorvidos por gás espesso, pelo que talvez nunca consigam sair da nuvem ao redor.

O estudo sugere que até raios X de energia mais alta podem ser atenuados antes de escapar, sobretudo se o buraco negro estiver a alimentar-se rapidamente e, desde o início, produzir menos desses raios X mais energéticos.

Sinais de escoamentos suaves também apareceram em algumas linhas, sugerindo que o casulo pode começar a afinar sem se despedaçar de forma explosiva.

Trabalhos futuros em múltiplos comprimentos de onda terão de observar esses objetos em diferentes ângulos e idades, para identificar quando o gás se dissipa.

Uma história de origem mais curta

Ao tratar as asas como assinatura de espalhamento, astrónomos podem encaixar os pontos vermelhos numa fase mais jovem e menos massiva do crescimento de buracos negros.

À medida que o Webb e observatórios subsequentes reunirem mais espectros, o teste será verificar se casulos como este aparecem em torno de muitos buracos negros primordiais.