Buracos negros que pareciam grandes demais para o Universo jovem podem ter enganado cientistas
O Telescópio Espacial James Webb (JWST) vem revolucionando o estudo do Universo primordial desde o início de suas observações. Mas, ao mesmo tempo em que encontrou uma série de descobertas importantes, o observatório também trouxe um problema para os astrônomos: buracos negros supermassivos que pareciam grandes demais para existir tão cedo na história do cosmos.
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O JWST vem identificando repetidamente buracos negros supermassivos no Universo primordial com centenas de milhões de vezes a massa do Sol. O problema é que esses objetos parecem grandes demais para terem crescido até tamanhos tão extremos quando o Universo ainda não havia completado um bilhão de anos.
Além disso, os buracos negros pareciam ter massas desproporcionalmente grandes em relação às pequenas galáxias que os abrigavam. Isso desafia a compreensão sobre a relação entre buracos negros supermassivos e suas galáxias hospedeiras, observada no Universo atual.
Agora, uma nova pesquisa sugere que o problema pode não ser tão grande quanto parecia. Segundo a equipe responsável pelo estudo, a explicação pode estar na forma como essas massas foram estimadas.
“Estimamos massas de aproximadamente um milhão a dez milhões de massas solares, em comparação com as dezenas ou centenas de milhões inferidas anteriormente”, afirmou Alessandro Trinca, líder do estudo e pesquisador do Observatório Astronômico de Roma, ligado ao Instituto Nacional de Astrofísica da Itália (INAF, na sigla em inglês), ao Space.com.
Ainda se trata de objetos enormes. As massas estimadas são comparáveis à do buraco negro no centro da Via Láctea, que possui cerca de quatro milhões de massas solares, ou algumas vezes maiores.
“Esses ainda são objetos enormes, comparáveis ao buraco negro de quatro milhões de massas solares no centro da Via Láctea, ou algumas vezes maiores, mas estão na extremidade inferior da população de buracos negros supermassivos, em vez de entre os exemplos mais extremos”, explicou Trinca.
Mais importante, segundo o pesquisador, é que essas novas estimativas são muito mais compatíveis com as características das pequenas galáxias que hospedam os buracos negros.
A pista pode estar nos raios X que não foram detectados
- Ao investigar o mistério dos chamados buracos negros “supermassivos demais” do Universo primordial, Trinca e seus colegas perceberam outro aspecto intrigante;
- Para atingir massas tão grandes, esses buracos negros precisariam consumir enormes quantidades de gás e poeira ao redor deles. Objetos desse tipo, em processo intenso de alimentação, normalmente são emissores extremamente brilhantes de raios X;
- Mas não foi isso que o JWST encontrou;
- A equipe analisou 14 buracos negros supermassivos que não apresentavam emissão de raios X e considerou que justamente essa ausência poderia fornecer uma pista importante para determinar suas verdadeiras características.
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“Quase nenhum deles é detectado em raios X, mesmo em observações muito profundas feitas pelo Observatório de Raios X Chandra da NASA”, disse Trinca.
Em vez de tratar a ausência de raios X como um problema, os pesquisadores a interpretaram como uma pista. Ao incorporar essa característica à análise, chegaram à conclusão de que os objetos provavelmente são muito menos massivos do que as estimativas anteriores indicavam. Isso também aproxima suas massas das propriedades observadas nas galáxias que os hospedam.
Menores, mas ainda mais famintos
A nova interpretação traz aparente contradição. Se os buracos negros não são tão grandes quanto se imaginava, por que eles parecem estar crescendo tão rapidamente? Segundo a equipe, a resposta pode estar justamente na velocidade com que esses objetos consomem matéria.
Quando um buraco negro supermassivo acumula matéria em taxas extremamente elevadas, o disco de gás ao seu redor pode assumir uma estrutura geometricamente espessa, semelhante a uma rosquinha, com um funil estreito ao longo do eixo de rotação.
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A região interna e quente do disco, que normalmente produziria fortes emissões de raios X, fica envolvida por essa estrutura espessa.
“À medida que os raios X escapam, eles são repetidamente espalhados pelo gás ao redor, perdendo energia antes de conseguir emergir. Como resultado, o buraco negro parece muito mais fraco em raios X do que normalmente esperaríamos”, explicou Trinca.
Nesse cenário, portanto, a ausência de raios X não seria inesperada. Pelo contrário: ela seria uma previsão do modelo.
A alimentação extremamente intensa também poderia explicar como esses buracos negros conseguiram atingir milhões de vezes a massa do Sol quando o Universo tinha apenas algumas centenas de milhões de anos.
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Buracos negros podem ter ultrapassado o limite de Eddington
Um dos motivos pelos quais os buracos negros supermassivos do Universo primordial intrigam os cientistas é a dificuldade de explicar como eles cresceram tão rapidamente. Esses objetos aumentam de tamanho ao consumir matéria e também podem crescer por meio da fusão com outros buracos negros.
Existe, porém, um limite para a velocidade com que um buraco negro — ou qualquer corpo astronômico — consegue acumular matéria. É o chamado limite de Eddington.
Quanto mais matéria é acumulada, maior é a quantidade de radiação produzida. Em determinado ponto, a radiação pode empurrar o material para longe do buraco negro, dificultando a reposição do combustível necessário para continuar o crescimento.
O novo estudo, porém, sugere que os buracos negros supermassivos podem passar por períodos curtos de alimentação super-Eddington, ultrapassando temporariamente esse limite.
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Se esses objetos forem até 30 vezes menos massivos do que se estimava anteriormente, haverá muito menos matéria para acumular dentro do período disponível no Universo primordial.
“Em vez de exigir um crescimento contínuo e ininterrupto durante centenas de milhões de anos, o cenário passa a ser de episódios mais curtos de acreção muito rápida, exatamente o tipo de comportamento que poderíamos esperar em galáxias ricas em gás e dinamicamente ativas do Universo primordial”, afirmou Trinca.
Como testar a nova hipótese
Confirmar a teoria de que esses buracos negros passaram por períodos de alimentação extrema ainda exigirá novas evidências, e isso pode ser difícil no curto prazo.
Uma das formas mais diretas seria estudar objetos semelhantes que estejam acumulando matéria muito rapidamente, mas localizados em regiões mais próximas do Universo. Isso permitiria observar e caracterizar seus ambientes com muito mais detalhes.
O problema é que esses objetos são raros.
Para a população mais distante observada pelo JWST, futuras missões capazes de realizar observações de raios X mais profundas e obter espectros mais detalhados serão importantes. Elas poderão, potencialmente, detectar a fraca emissão de raios X prevista pelo novo cenário.
Segundo Trinca, no longo prazo, a obtenção de medições diretas e independentes das massas dos buracos negros em épocas cada vez mais antigas do Universo será a forma mais forte de testar a teoria.
Por enquanto, a pesquisa mostra como a ausência de uma detecção também pode revelar informações importantes. Nesse caso, foi justamente a falta de raios X que ajudou os cientistas a restringir as possibilidades e construir uma explicação mais clara para o comportamento desses objetos.
“Foi interessante ver quanta informação poderia ser extraída de algo que não observamos”, concluiu Trinca. “Uma não detecção pode parecer o tipo de observação menos informativa, mas, neste caso, a ausência de raios X forneceu uma forte restrição e ajudou a definir o cenário físico com mais clareza do que apenas as detecções.”
O estudo foi publicado na edição de junho da revista Astronomy & Astrophysics.
Rodrigo Mozelli
Rodrigo Mozelli é jornalista formado pela Universidade Metodista de São Paulo (UMESP) e, atualmente, é redator do Olhar Digital.
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