O Telescópio Espacial James Webb (JWST) e o enigma do nascimento dos buracos negros supermassivos (SMBHs)

Um dos maiores mistérios que o Telescópio Espacial James Webb (JWST) foi concebido para investigar era a origem dos buracos negros supermassivos (SMBHs).

Durante mais de vinte anos, os astrónomos tentaram perceber como é que estes gigantes gravitacionais - com massas entre milhões e milhares de milhões de vezes a massa do Sol - podiam já existir menos de mil milhões de anos após o Big Bang. De acordo com os modelos cosmológicos mais aceites, os buracos negros massivos não tiveram tempo suficiente para se formar através dos processos habituais de formação de buracos negros e fusões sucessivas.

Observações recentes vieram pôr estes modelos em causa e reforçaram a hipótese alternativa de que as "sementes" dos SMBHs se formaram diretamente a partir do colapso de nuvens de gás cósmico, conhecidas como buracos negros de colapso direto (DCBHs).

A única outra possibilidade é que tenham existido estrelas no Universo primordial (estrelas de População III) suficientemente massivas para deixarem para trás buracos negros também eles muito massivos.

Recorrendo ao JWST, uma equipa internacional encontrou a primeira evidência que apoia a teoria de que existiram no Universo primitivo "estrelas-monstro" com entre 1.000 e 10.000 massas solares.

A equipa foi liderada por Devesh Nandal, bolseiro de pós-doutoramento da Swiss National Science Foundation, da Universidade da Virgínia e do Institute for Theory and Computation (ITC) no Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics (CfA).

Juntaram-se-lhe Daniel Whalen, professor sénior de Cosmologia no Institute of Cosmology and Gravitation (ICG) da Universidade de Portsmouth; Muhammad A. Latif, astrofísico da United Arab Emirates University (UAEU); e Alexander Heger, investigador da School of Physics and Astronomy da Monash University.

Com o JWST, a equipa analisou assinaturas químicas em GS 3073, uma galáxia identificada originalmente em 2022 por Latif, Whalen e colegas do Institute for Astronomy (IfA) da Universidade de Edimburgo, da Universidade de Exeter e do Herzberg Astronomy and Astrophysics Research Centre.

Na altura, a equipa da descoberta assinalou uma razão azoto-oxigénio extrema (0,46), muito acima do que poderia ser explicado por qualquer tipo conhecido de estrela ou explosão estelar. Isso levou-os a propor que as primeiras estrelas do Universo, conhecidas como População III, se formaram a partir de fluxos turbulentos de gás frio algumas centenas de milhões de anos depois do Big Bang.

Também observaram que GS 3073 contém, no seu centro, um buraco negro em alimentação ativa, que poderá ser o remanescente de uma dessas "estrelas-monstro". Defenderam que a existência deste tipo de objeto estelar ajudaria a explicar por que razão o Webb detetou múltiplos quasares com menos de mil milhões de anos após o Big Bang.

Também conhecido como Núcleo Galáctico Ativo (AGN), este fenómeno é provocado por SMBHs no centro das galáxias, que aceleram o gás e a poeira em queda para velocidades próximas da da luz. Isto leva à libertação de enormes quantidades de energia, fazendo com que a região central brilhe temporariamente mais do que todas as estrelas do disco galáctico.

Segundo Nandal, num comunicado de imprensa da Universidade de Portsmouth:

As abundâncias químicas funcionam como uma impressão digital cósmica, e o padrão em GS3073 é diferente de tudo o que estrelas normais conseguem produzir. O seu azoto 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 primeiras galáxias e podem ter lançado as sementes dos atuais buracos negros supermassivos.

Para testar esta teoria, Latif, Whalen e a sua equipa modelaram a evolução de estrelas com entre 1.000 e 10.000 massas solares e os elementos químicos que produziriam. Isso permitiu-lhes identificar um mecanismo específico que explicaria a razão azoto-oxigénio observada em GS3073.

Esse processo começa com estrelas-monstro a fundirem hélio nos seus núcleos para produzir carbono, que escapa para a camada envolvente onde o hidrogénio está a ser fundido. Aí, o carbono combina-se com o hidrogénio para formar azoto, que é distribuído por toda a estrela através de correntes de convecção e acaba por ser libertado no espaço.

Este processo continua enquanto houver fusão de hélio no núcleo (durante milhões de anos), enriquecendo a nuvem de gás circundante até se atingir a razão azoto-oxigénio observada. O modelo da equipa sugere ainda que estas estrelas-monstro não explodem como supernovas no fim do seu ciclo de vida, mas colapsam diretamente em buracos negros massivos, as "sementes" dos SMBHs observados atualmente.

Os investigadores verificaram também que esta assinatura de azoto não surgia em estrelas menores nem maiores do que este intervalo de massas. Se confirmadas, estas estrelas ajudariam a explicar dois mistérios que surgiram das observações anteriores do Webb.

Além disso, estes resultados estão a oferecer novos dados sobre o Universo tal como existia entre 380.000 anos e mil milhões de anos após o Big Bang - a chamada "Idade das Trevas Cósmica".

Até há pouco tempo, esta época cosmológica era inacessível aos astrónomos, porque a luz desse período é demasiado ténue para ser observada hoje com instrumentos convencionais, exigindo ótica infravermelha de ponta como a utilizada pelo JWST. Os investigadores preveem que futuras campanhas de observação revelem mais galáxias com excessos de azoto semelhantes, permitindo aprofundar o estudo da possível existência destas estrelas-monstro.

"A nossa mais recente descoberta ajuda a resolver um mistério cósmico com 20 anos", afirmou Whalen. "Com GS 3073, temos a primeira evidência observacional de que estas estrelas-monstro existiram. Estes gigantes cósmicos teriam ardido com grande brilho durante um curto período antes de colapsarem em buracos negros massivos, deixando para trás 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 um quarto de milhão de anos - um piscar de olhos à escala cósmica."

Este artigo foi publicado originalmente pela Universe Today. Leia o artigo original.