A galáxia Infinito revela o possível nascimento de um buraco negro supermassivo

O enigma dos buracos negros supermassivos

Os buracos negros supermassivos são um dos maiores quebra-cabeças do Universo. Estas enormes entidades, com massas que vão de milhões a dezenas de milhares de milhões de Sóis, escondem-se no centro de praticamente todas as galáxias - o coração gravitacional em torno do qual estrelas, planetas e nuvens de gás cintilante rodam numa dança complexa.

O que continua por esclarecer é a forma como estes gigantes surgem. Será que aumentam lentamente, somando massa ao longo do tempo a partir de uma “semente” comparável ao núcleo de uma única estrela? Ou poderão nascer de uma vez, quando nuvens colossais de matéria, tão densas que não conseguem resistir à própria gravidade, colapsam directamente?

Uma descoberta recente poderá - pelo menos em parte - aproximar-nos de uma resposta.

A galáxia Infinito no JWST COSMOS-Web

Um par de galáxias cuja luz viajou durante 8,3 mil milhões de anos contém aquilo que os astrónomos consideram ser um buraco negro supermassivo em plena formação. Se esta interpretação estiver correcta, trata-se da primeira vez que observamos este processo a acontecer, um elemento decisivo e sem precedentes no puzzle da formação de buracos negros supermassivos.

"Pensamos que estamos a testemunhar o nascimento de um buraco negro supermassivo - algo que nunca foi visto antes", afirma o astrónomo Pieter van Dokkum, da Universidade de Yale, nos EUA.

Esta “prova irrefutável” surgiu num par de galáxias em colisão, posicionadas de tal forma que o conjunto lembra um oito, ou um símbolo de infinito. A equipa baptizou o objecto de galáxia Infinito, e não é exagero dizer que se trata de uma raridade: foi identificada precisamente numa procura de fenómenos invulgares no levantamento JWST COSMOS-Web do Universo.

Cada um dos dois lóbulos da galáxia tem o seu próprio núcleo intensamente luminoso, com um buraco negro supermassivo oculto no seu interior. No entanto, na região onde os dois lóbulos se sobrepõem e se cruzam, observa-se uma terceira mancha brilhante.

Os investigadores analisaram essa mancha com grande cuidado em múltiplos comprimentos de onda e ficaram surpreendidos ao detectar sinais compatíveis com um terceiro buraco negro supermassivo, exactamente entre os dois lóbulos da galáxia Infinito.

"Perguntámo-nos: como é que isto faz sentido?", diz van Dokkum.

Colisões galácticas e o modelo de colapso directo

Uma análise mais detalhada do material que envolve o buraco negro anómalo indicou que este poderá ser recente, instalado numa região extensa de gás quente e sujeito a choques. Este cenário aponta para um possível mecanismo de formação de buracos negros assente no modelo de colapso directo.

"Neste caso, duas galáxias de disco colidiram, formando as estruturas em anel de estrelas que vemos. Durante a colisão, o gás dentro destas duas galáxias sofre choques e é comprimido. Essa compressão pode ter sido suficiente para formar um nó denso que depois colapsou e deu origem a um buraco negro", explica van Dokkum.

"Embora colisões deste tipo sejam eventos raros, pensa-se que densidades de gás igualmente extremas foram bastante comuns nas primeiras épocas cósmicas, quando as galáxias começaram a formar-se."

Há muito que as colisões entre galáxias são apontadas como um dos mecanismos capazes de fazer crescer buracos negros supermassivos. Quando dois sistemas se fundem, os seus buracos negros centrais são inevitavelmente puxados um para o outro pela gravidade, acabando por colidir e unir-se num buraco negro maior.

Acredita-se também que este tipo de colisões tenha sido crucial para o crescimento das galáxias no Universo primordial; pensa-se que a Via Láctea terá passado por várias fusões deste género.

A hipótese faz sentido, mas não resolve a questão de como se formaram, à partida, os buracos negros menos massivos - embora ainda assim supermassivos - que ocupam os centros dessas galáxias. Um conjunto crescente de indícios favorece o modelo de colapso directo, mas o processo em si ainda não tinha sido observado em funcionamento.

A galáxia Infinito encontra-se um pouco para lá de metade da história do Universo, que tem 13,8 mil milhões de anos. Ainda assim, o Universo inicial estava repleto de nuvens densas de hidrogénio que poderiam ter embatido umas nas outras, criando nós chocados com enormes quantidades de material de forma muito semelhante. Por isso, esta descoberta constitui um argumento forte a favor do modelo de colapso directo logo no início do Universo.

"Isto é o mais próximo de uma prova irrefutável que alguma vez iremos obter", afirma van Dokkum.

Dois artigos que descrevem a descoberta foram submetidos a The Astrophysical Journal Letters. Podem ser consultados no arXiv aqui e aqui.