JWST confirma: primeiro buraco negro supermassivo em fuga detetado a atravessar o espaço.

De vez em quando, surge um objecto estelar a atravessar o espaço a toda a velocidade, como um coelho branco - desesperadamente atrasado para um compromisso inevitável.

Pela primeira vez, astrónomos confirmaram um buraco negro supermassivo com, no mínimo, 10 milhões de vezes a massa do Sol, aparentemente expulso da sua galáxia hospedeira a uns impressionantes 954 quilómetros por segundo - o equivalente a 0,32% da velocidade da luz.

Não se trata do objecto estelar em fuga mais rápido alguma vez observado, mas a energia por detrás do “pontapé” gravitacional necessário para lançar um buraco negro com esta massa a esta velocidade, rasgando o meio circumgaláctico, é difícil de conceber.

RBH-1: o primeiro buraco negro supermassivo em fuga confirmado

O buraco negro - agora baptizado RBH-1 - foi inicialmente descrito em 2023 como um objecto colossal a um tempo de viagem da luz de 7,5 mil milhões de anos, a atravessar o espaço em alta velocidade, com um enorme choque de proa à sua frente e uma esteira de formação estelar com 200 000 anos-luz de extensão atrás de si.

Na altura, os indícios pareciam apontar, de forma bastante directa, para um caso de objecto em fuga. Observações posteriores vieram agora confirmá-lo: uma equipa liderada pelo astrofísico Pieter van Dokkum, da Universidade de Yale, recorreu ao instrumento NIRSpec (no infravermelho próximo) do JWST para verificar que o RBH-1 está, de facto, a disparar pelas regiões mais externas da sua galáxia, em direcção ao espaço intergaláctico.

O “pontapé” cósmico: fusão de buracos negros e recuo gravitacional

O modo como isto aconteceu poderá ser ainda mais fascinante. Os investigadores consideram que o evento que imprimiu ao RBH-1 este impulso através do espaço-tempo foi, muito provavelmente, um recuo gravitacional resultante da fusão de buracos negros supermassivos.

"These results," escrevem numa pré-publicação carregada no arXiv, "confirm that the wake is powered by a supersonic runaway supermassive black hole, a long-predicted consequence of gravitational-wave recoil or multi-body ejection from galactic nuclei."

Os buracos negros supermassivos tendem a “andar em conjunto” com as galáxias: estas agregam-se e crescem em torno deles, e a sua evolução é moldada pela gravidade e pelo comportamento dos gigantes buracos negros nucleares nos seus centros.

Isso, porém, não significa que o buraco negro tenha de permanecer no mesmo sítio. A teoria prevê que uma perturbação suficientemente intensa pode desalojá-lo e colocá-lo a vaguear pelo Universo, levando consigo apenas uma pequena nuvem de material presa ao seu domínio imediato e inexorável.

Ao longo dos anos, os astrónomos reuniram múltiplas linhas de evidência compatíveis com este mecanismo. Entre elas contam-se vários candidatos a buracos negros supermassivos em fuga ejectados dos centros das suas galáxias, uma galáxia com um segundo buraco negro supermassivo nas zonas periféricas e até uma galáxia que parece estar totalmente desprovida do seu buraco negro supermassivo.

As simulações também indicam que deverá existir um número considerável de buracos negros supermassivos errantes, invisíveis, a ocultarem-se na escuridão do espaço intergaláctico.

Como o JWST confirmou a velocidade no choque de proa

Para confirmar se o RBH-1 era realmente aquilo que as observações iniciais sugeriam, van Dokkum e os seus colegas usaram o JWST para mapear a distribuição de velocidades ao longo do choque de proa à frente do buraco negro, enquanto este penetra e comprime o meio circumgaláctico - o gás e o pó extremamente ténues que envolvem a galáxia hospedeira.

Em termos simples, toda a estrutura - o choque de proa, o buraco negro e a esteira de formação estelar - encontra-se ligeiramente inclinada na nossa direcção, com o buraco negro mais próximo de nós e o rasto mais afastado. Esta coincidência geométrica permitiu à equipa medir a luz proveniente do gás aquecido pelo choque no arco frontal.

Quando algo se desloca na nossa direcção, o comprimento de onda da sua luz é ligeiramente comprimido para a região mais azul do espectro - um efeito conhecido como desvio para o azul. Os investigadores mediram o desvio para o azul antes e depois do choque de proa e detectaram uma diferença abrupta e muito marcada nas velocidades.

O material situado atrás da frente de choque move-se 600 quilómetros por segundo mais depressa do que o material à sua frente, estando ambos separados por uma distância muito pequena. Verificaram também que o gás nas margens exteriores do choque de proa apresenta desvio para o vermelho, à medida que escoa para longe de nós.

Segundo os investigadores, uma morfologia global deste tipo só pode ser produzida por um objecto massivo, em movimento rápido, a avançar a aproximadamente 954 quilómetros por segundo.

Três corpos ou fusão? A explicação mais provável para o RBH-1

A questão seguinte é inevitável: como é que isto acontece? No artigo de descoberta, a equipa tinha avançado como hipótese principal um mecanismo baseado numa interacção gravitacional de três corpos entre três buracos negros supermassivos, reunidos por fusões de galáxias.

Com medições agora mais rigorosas, os autores defendem que a explicação mais plausível é uma fusão entre dois buracos negros supermassivos que se aproximaram após a fusão das respectivas galáxias hospedeiras. Ao juntarem-se e formarem um único buraco negro supermassivo, a libertação assimétrica de energia gravitacional teria provocado um impulso de recuo, lançando o buraco negro recém-formado para fora.

A velocidade medida do RBH-1 e a massa da galáxia que este deixou para trás são totalmente compatíveis com os modelos que descrevem este processo.

"We dub the object RBH-1, recognizing that it is the first confirmed runaway supermassive black hole," escrevem os investigadores.

"RBH-1 is empirical validation of the 50-year-old prediction that SMBHs can escape from their host galaxies, through gravitational wave recoil or a three-body interaction."

O artigo está disponível como pré-publicação no servidor arXiv.