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

Com o Telescópio Espacial James Webb, uma equipa que analisa uma galáxia minúscula e longínqua chamada GHZ2 encontrou indícios de um buraco negro supermassivo em fase de alimentação ativa, observado quando o Universo tinha apenas 350 milhões de anos após o Big Bang - um resultado que pode obrigar a repensar as ideias sobre a formação dos primeiros buracos negros.

Um suspeito recordista numa galáxia diminuta

A GHZ2 surgiu pela primeira vez nos dados do Webb em 2022, no meio de muitas galáxias extremamente distantes. A sua luz levou cerca de 13,4 mil milhões de anos a chegar à Terra, o que significa que os astrónomos estão a olhar para uma época em que o Universo ainda estava na sua infância.

O que tornou esta galáxia especial não foi o facto de parecer particularmente ténue, mas sim a forma invulgarmente brilhante como se destacou em certas “cores” de luz infravermelha. Essas cores funcionam como impressões digitais dos átomos no interior da GHZ2 e sugeriam que algo de muito energético está a acontecer no núcleo da galáxia.

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

O trabalho da equipa, disponibilizado no servidor de pré-publicações arXiv a 4 de novembro e ainda à espera de revisão por pares, baseia-se em medições de dois instrumentos centrais do Webb: o Espectrógrafo de Infravermelho Próximo (NIRSpec) e o Instrumento de Infravermelho Médio (MIRI). Em conjunto, permitem decompor a luz da galáxia num espectro e analisá-la linha a linha.

Ler a luz: o que dizem as linhas de emissão

As galáxias não emitem apenas um brilho contínuo. Produzem picos estreitos de intensidade em comprimentos de onda muito específicos, conhecidos como linhas de emissão. Essas linhas aparecem quando átomos ou iões são excitados e, ao libertarem essa energia, emitem luz.

No caso da GHZ2, esses picos são invulgarmente fortes e vários pertencem ao grupo a que os cientistas chamam “linhas de elevada ionização”. Este tipo de linhas indica gás atingido por radiação extremamente energética.

"O espectro da GHZ2 mostra emissão de alta energia que estrelas jovens comuns dificilmente conseguem gerar, apontando para uma fonte de energia mais exótica no seu interior."

Um sinal, em particular, destacou-se de imediato: uma linha C IV muito intensa, produzida por carbono triplemente ionizado - átomos de carbono a que foram removidos três eletrões. Para criar esse estado é necessário um fluxo abundante de fotões de energia muito elevada.

Estrelas massivas e muito quentes conseguem ionizar gás, mas existe um limite para o que podem produzir. A intensidade da linha C IV na GHZ2 fica além do que os modelos padrão de galáxias com formação estelar conseguem explicar de forma confortável. Em contrapartida, um núcleo galáctico ativo (NGA) - gás a rodopiar em torno de um buraco negro supermassivo e a cair para o seu interior - gera naturalmente este tipo de radiação “dura”.

Um sistema misto: estrelas mais algo mais agressivo

A equipa construiu modelos detalhados que combinavam a luz de estrelas comuns com a luz esperada de um NGA. Esses modelos foram ajustados repetidas vezes para perceber que mistura reproduzia melhor os dados do Webb.

Concluíram que muitas das características no visível e no infravermelho próximo podem, de facto, ser explicadas apenas por uma formação estelar muito intensa. No entanto, a linha do carbono e alguns outros sinais de elevada ionização continuavam a exigir uma fonte adicional de radiação, mais agressiva.

Isto aponta com força para uma galáxia “compósita”: um cenário em que uma população estelar jovem e um buraco negro em alimentação contribuem simultaneamente para o brilho observado.

• A formação estelar justifica a maioria das linhas de emissão de baixa e média energia.
• As linhas de elevada ionização, sobretudo a C IV, favorecem a presença de um buraco negro ativo.
• A GHZ2 provavelmente combina um nascimento estelar intenso com um NGA central.

Ainda assim, o quadro não é totalmente linear. A GHZ2 não apresenta alguns sinais clássicos de NGA normalmente observados em galáxias próximas, como certos rácios entre linhas e determinadas características no infravermelho médio. Isso abre espaço para hipóteses alternativas.

Uma possibilidade é a GHZ2 conter 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 a de estrelas típicas. Outra hipótese é a população estelar primordial desta galáxia comportar-se de forma diferente das estrelas em galáxias modernas, alterando o padrão esperado das linhas de emissão.

Porque é que um buraco negro tão cedo é um grande problema

Se a GHZ2 albergar mesmo um buraco negro supermassivo tão cedo na história cósmica, surge uma pergunta difícil: como conseguiu crescer tanto em tão pouco tempo?

Um buraco negro começa pequeno e aumenta ao engolir gás, poeira e estrelas, ou ao fundir-se com outros buracos negros. Porém, com o Universo a ter apenas 350 milhões de anos, houve pouco tempo para formar um “monstro” com milhões de vezes a massa do Sol.

"A GHZ2 cai no centro de um debate intenso sobre se os primeiros buracos negros começaram pequenos e cresceram de forma explosiva, ou se já nasceram com massas elevadas."

Os astrónomos referem, em geral, duas hipóteses 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	Teria de crescer a um ritmo insano, quase continuamente, para atingir 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 primeiro se fragmentar para formar estrelas normais

A GHZ2 pode funcionar como um laboratório natural para testar estes 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 poderia, de forma plausível, ter crescido tanto em apenas algumas centenas de milhões de anos, ou se uma semente pesada é a explicação mais realista.

Próximos passos para o Webb e para telescópios em terra

Os dados atuais, apesar de impressionantes, ainda deixam margem para dúvidas. A equipa pretende obter espectros mais profundos e mais nítidos de várias linhas de emissão-chave, o que implica mais tempo de observação com o Webb.

Medições com maior resolução deverão separar linhas sobrepostas e reduzir o ruído das medições, oferecendo uma visão mais clara das condições do gás perto do centro galáctico. Isso ajudará a confirmar se a radiação ionizante corresponde realmente a padrões de NGA e não a uma luz estelar exótica.

Os investigadores planeiam também recorrer ao Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), no Chile, para observar linhas no infravermelho distante e o gás frio. Esses dados podem revelar quanto gás existe para alimentar tanto o buraco negro como a formação estelar e se esse gás é mais turbulento ou mais ordenado.

"Se o NGA da GHZ2 for confirmado, estabelecerá um novo recorde de distância para um buraco negro supermassivo e fornecerá um ponto de referência para modelos de galáxias primitivas."

Dar sentido ao jargão

Para quem não é especialista, alguns conceitos ajudam a interpretar este resultado.

Um núcleo galáctico ativo é a região central brilhante em torno de um buraco negro supermassivo que está, nesse momento, a acrecionar material. À medida que o gás espirala para dentro, aquece e emite enormes quantidades de radiação em todo o espectro, desde raios X até ao infravermelho.

Ionização significa remover eletrões de átomos. Quanto mais eletrões são retirados, maior é o estado de ionização e mais energética tem de ser a radiação necessária. Por isso, linhas de carbono triplemente ionizado funcionam como um sinal a dizer: "há aqui uma fonte de energia intensa em ação".

O termo desvio para o vermelho mede 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 - precisamente a região que o Webb foi concebido para captar.

O que isto significa 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 após o Big Bang e deixando a gravidade e a física do gás evoluírem.

Se as simulações falharem de forma consistente em produzir um sistema semelhante à GHZ2 com um buraco negro supermassivo ao fim de 350 milhões de anos, isso indica que falta algo na física adotada: talvez entradas de gás mais eficientes, fusões mais frequentes, ou vias adicionais para formar sementes pesadas.

Existem ainda efeitos indiretos na rapidez com que as galáxias se enriquecem com elementos mais pesados. Buracos negros ativos podem impulsionar saídas de matéria muito poderosas que expulsam gás de galáxias jovens. Esse feedback molda a formação estelar posterior, podendo alterar quando e onde as gerações seguintes de estrelas - e, mais tarde, planetas - conseguem formar-se.

Por agora, a GHZ2 integra uma espécie de lista cósmica de “mais procurados”. À medida que o Webb e o ALMA continuarem a observá-la, os astrónomos esperam determinar se este ponto ténue alberga mesmo o buraco negro supermassivo mais antigo conhecido - ou se está em curso algo ainda mais estranho numa das primeiras galáxias do Universo.