Astrônomos do MIT e de outras instituições identificaram um objeto vermelho brilhante que remonta ao início do universo. À primeira vista, parece uma enorme estrela com dimensões comparáveis às do sistema solar. No entanto, a sua produção de energia é fantástica. Esta massa produz cerca de 100 mil milhões de vezes mais energia do que qualquer estrela conhecida pode produzir fisicamente, aproximando a sua potência dos níveis associados aos buracos negros.
Esta combinação invulgar levou os investigadores a sugerir que o corpo vermelho representa um tipo inteiramente novo de fonte astrofísica. Eles a chamam de “estrela do buraco negro”.
Um estudo publicado em 12 de agosto natureza Ele descreve o objeto e a análise da equipe das observações feitas com o Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA. O telescópio detectou a mancha vermelha brilhante no início do Universo, apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang.
Um buraco negro escondido dentro de uma estrela gigante como um casulo
Os pesquisadores dizem que a explicação mais provável é uma combinação nunca antes vista de um buraco negro e uma estrela. Em vez de ser alimentado pela fusão nuclear que alimenta estrelas comuns, o objeto pode consistir numa densa nuvem de gás alimentada por um buraco negro no seu centro.
“A nossa imagem deste objeto está a evoluir muito rapidamente,” disse o autor principal Rohan Naidoo, bolseiro do Hubble da NASA e bolseiro Pappalardo do Instituto Kawli de Astrofísica e Investigação Espacial do MIT. Achamos que existe um buraco negro central com 100.000 vezes a massa do Sol. E em torno deste buraco negro, existe um envelope muito amplo de gás que se parece com uma estrela do tamanho do nosso sistema solar. Isso é ótimo.
Se a interpretação estiver correta, a descoberta também poderá ajudar a explicar os misteriosos “pequenos pontos vermelhos” que apareceram em quase todas as imagens do espaço profundo obtidas pelo JWST.
“Esses pequenos pontos vermelhos parecem estar por toda parte no universo primitivo, mas basicamente desapareceram hoje”, diz Naidoo. O que exatamente são esses objetos tem sido um tema muito debatido na era JWST.
Os co-autores do estudo do MIT são o diretor do MKI, Robert Simko, e Bruno B. Rossi, professor de física experimental. e Wendy Sun ’26, juntamente com pesquisadores de diversas outras instituições.
Uma descoberta inesperada no universo primitivo
Naidu e seus colegas não procuravam inicialmente uma estrela de buraco negro. O seu objetivo era identificar algumas das galáxias mais antigas e distantes através de um levantamento denominado “miragem ou milagre” (MoM). Usando o JWST, eles examinaram profundamente o espaço e, portanto, até agora, no tempo, e observaram um período em que o universo tinha apenas algumas centenas de milhões de anos. Eles queriam determinar quais galáxias realmente se formaram tão cedo.
“Havia este quebra-cabeça de muitas galáxias brilhantes surgindo em tempos muito antigos”, diz Naidoo. “O que descobrimos foi que o que parece ser uma galáxia primordial muito brilhante, conhecida como ‘milagre’, pode em alguns casos ser na verdade uma ‘miragem’.”
Ao pesquisar alvos promissores nas imagens do JWST, a equipe notou uma fonte que parecia particularmente incomum. Parecia intensamente vermelho e notavelmente brilhante.
“Quando vemos algo muito vermelho no Universo, muitas vezes assumimos que está rodeado de poeira, como fuligem ou cinzas”, explica Simcoe. “Assim como a fumaça dos incêndios florestais do Canadá recentemente tornou o céu de Boston vermelho brilhante, os objetos astronômicos podem parecer mais vermelhos do que sua cor natural quando vistos através de um véu de poeira”.
Mas outras características na luz do objeto não correspondiam ao que os cientistas normalmente esperariam da poeira. Os pesquisadores também encontraram um padrão marcante em seu espectro. A fonte era muito brilhante em alguns comprimentos de onda, mas sua luz desaparecia completamente abaixo de certos comprimentos de onda.
Balmer quebra recorde
Esta queda repentina na luz é conhecida como “falha de Balmer”. Esta característica está geralmente associada a fotões densos que absorvem gás nas atmosferas de estrelas com centenas de milhões de anos. Vega, uma das estrelas mais brilhantes visíveis no céu noturno, mostra o mesmo padrão.
“A ruptura que observámos nesta massa é a mais profunda que alguma vez vimos em qualquer objecto, excluindo estrelas ‘normais’ como fonte,” diz Naidoo. “Mas isso fez-nos pensar se estamos a testemunhar um novo tipo de ‘atmosfera estelar’, mas numa escala espectacular.”
Este objeto era incomum em outro aspecto importante. Sua luz quase não mostrava sinais de metais ou elementos além de hidrogênio e hélio.
“Foi realmente único em vários aspectos”, diz Naidoo.
Testando o que poderia criar um objeto tão vermelho
Para determinar o que pode estar causando a aparência incomum do objeto, os pesquisadores simularam vários cenários astrofísicos possíveis e os compararam com o que o JWST havia observado.
Começamos a perguntar: é possível fazer algo vermelho usando apenas hidrogênio e sem poeira? Simcoe diz. Surpreendentemente, acontece que isso é possível, se você tiver uma camada muito densa de hidrogênio, tão densa que se parece mais com a superfície de uma estrela massiva do que com uma nebulosa interestelar.
Simulações sugerem que a fonte vermelha poderia conter uma fonte de energia muito poderosa escondida num casulo muito denso de hidrogénio. Tal estrutura poderia explicar o forte fracasso de Ballmer e o facto de os investigadores terem descoberto pouco mais do que hidrogénio e hélio.
No entanto, um grande mistério permaneceu. Ainda não foi encontrada uma explicação para o extraordinário brilho do objeto.
“Temos algo que se parece um pouco com uma estrela, mas é 100 mil milhões de vezes mais brilhante”, diz Naidoo. Isso significa que não é possível obter a energia necessária através da fusão nuclear, que é a fonte de energia que está no coração de todas as nossas estrelas.
Um buraco negro supermassivo fornece a força que falta
Os buracos negros podem produzir energia em níveis massivos que foram detectados pelos pesquisadores. Assim, a equipe adicionou um buraco negro ativo e de acreção às suas simulações do denso casulo de hidrogênio. Eles ajustaram a massa do buraco negro e outras propriedades, depois compararam o brilho simulado com as medições da mancha vermelha do JWST.
A melhor correspondência apontou para uma estrela de buraco negro como a explicação mais provável.
De acordo com o modelo da equipe, o objeto contém um buraco negro central com massa aproximadamente 100.000 vezes a do Sol. Ao seu redor há um envelope de hidrogênio muito denso, semelhante a uma estrela, que se estende quase até o sistema solar.
Os pesquisadores batizaram esse objeto de MoM-BH*-1 em homenagem às observações em que foi encontrado. Eles também o apelidaram de “buraco negro estrela um”, sugerindo que pode ser o primeiro exemplo de uma população mais ampla.
As estrelas do buraco negro podem explicar as pequenas manchas vermelhas do JWST?
Os investigadores suspeitam que as estrelas dos buracos negros possam formar muitos dos outros pequenos pontos vermelhos vistos nas imagens do JWST. Estas fontes não são tão brilhantes quanto MoM-BH*-1, mas podem ter a mesma estrutura básica.
“Cada pequeno ponto vermelho é consistente com uma estrela de buraco negro inserida numa galáxia primordial geral,” diz Naidoo. Mas o que acontece com MoM-BH*-1 é que a estrela do buraco negro essencialmente eclipsa completamente a sua galáxia hospedeira circundante, de modo que vemos a luz estelar pura do buraco negro.
Se esta interpretação estiver correta, MoM-BH*-1 poderá fornecer uma pista importante para um dos mistérios mais controversos da era JWST, ao mesmo tempo que revela um tipo de matéria cósmica que os astrónomos nunca observaram diretamente antes.
Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Departamento de Física do MIT, pela NASA e pelo Space Telescope Science Institute.
