Nota do
editor: esta
publicação destaca uma combinação de resultados revisados por pares e dados
da ciência em andamento do Webb, que ainda não passou pelo processo de revisão
por pares.
À medida que os dados do Telescópio Espacial James
Webb da NASA se tornam públicos, pesquisadores vasculham seus arquivos em busca
de estranhezas cósmicas despercebidas. Ao examinar imagens da pesquisa COSMOS-Web ,
dois pesquisadores, Pieter van Dokkum, da Universidade de Yale, e Gabriel
Brammer, da Universidade de Copenhague, descobriram um objeto incomum que
apelidaram de Galáxia do Infinito.
Ela apresenta um formato altamente incomum de dois
núcleos vermelhos muito compactos, cada um circundado por um anel, dando-lhe o
formato do símbolo do infinito. A equipe acredita que ela foi formada pela
colisão frontal de duas galáxias de disco. Observações subsequentes mostraram
que a Galáxia do Infinito abriga um buraco negro supermassivo ativo. O que é
altamente incomum é que o buraco negro esteja entre os dois núcleos, dentro de
uma vasta extensão de gás. A equipe propõe que o buraco negro se formou ali
através do colapso direto de uma nuvem de gás – um processo que pode explicar
alguns dos buracos negros incrivelmente massivos que Webb encontrou no universo
primordial.
A Galáxia do Infinito,
resultado da colisão de duas galáxias espirais, é composta por dois anéis de
estrelas (vistos como ovais no canto superior direito e no canto inferior
esquerdo). Os dois núcleos das galáxias espirais são representados em amarelo
dentro dos anéis. O hidrogênio brilhante, que perdeu seus elétrons entre as
duas galáxias, aparece em verde. Astrônomos detectaram um buraco negro com
massa de um milhão de solares que parece estar incrustado nessa grande faixa de
gás ionizado. Eles sugerem que o buraco negro pode ter se formado ali por meio
de um processo conhecido como colapso direto. Esta imagem da NIRCam (Câmera de
Infravermelho Próximo) do Telescópio Espacial James Webb da NASA representa a
luz em 0,9 mícron como azul (F090W), 1,15 e 1,5 mícron como verde (F115W+F150W)
e 2,0 mícron como vermelha (F200W).
NASA, ESA, CSA, STScI, P. van Dokkum (Universidade de Yale)
Aqui, Pieter van
Dokkum, principal autor de um artigo revisado por pares descrevendo sua
descoberta inicial e principal pesquisador das observações subsequentes
do Webb , explica por que esse objeto pode ser a melhor evidência até
agora de uma nova maneira de formar buracos negros.
Tudo é incomum nesta galáxia. Ela não só parece
muito estranha, como também tem um buraco negro supermassivo que está atraindo
muito material. A maior surpresa de todas foi que o buraco negro não estava
localizado dentro de nenhum dos dois núcleos, mas no meio. Nos perguntamos:
como podemos entender isso?
Encontrar um buraco negro que não esteja no núcleo
de uma galáxia massiva é, por si só, incomum, mas o que é ainda mais incomum é
a história de como ele pode ter chegado lá. Provavelmente não chegou lá
simplesmente, mas se formou lá. E bem recentemente. Em outras palavras,
acreditamos estar testemunhando o nascimento de um buraco negro supermassivo –
algo nunca visto antes.
Como os buracos negros supermassivos se formaram é
uma questão antiga. Existem duas teorias principais, chamadas de "sementes
leves" e "sementes pesadas". Na teoria das sementes leves,
parte-se de pequenos buracos negros formados quando o núcleo de uma estrela
colapsa e a estrela explode como uma supernova. Isso pode resultar em um buraco
negro com massa de até 1.000 sóis. Muitos deles se formam em um espaço pequeno
e, com o tempo, eles se fundem, formando um buraco negro muito mais massivo. O
problema é que esse processo de fusão leva tempo, e Webb encontrou buracos
negros incrivelmente massivos em momentos incrivelmente iniciais do universo –
possivelmente até cedo demais para que esse processo os explique.
A segunda possibilidade é a teoria da semente
pesada, segundo a qual um buraco negro muito maior, talvez com até um milhão de
vezes a massa do nosso Sol, se forma diretamente a partir do colapso de uma
grande nuvem de gás. Imediatamente se forma um buraco negro gigante, então é
muito mais rápido. No entanto, o problema de formar um buraco negro a partir de
uma nuvem de gás é que as nuvens de gás tendem a formar estrelas à medida que
colapsam, em vez de um buraco negro, então é preciso encontrar uma maneira de
evitar isso. Não está claro se esse processo de colapso direto poderia
funcionar na prática.
Observando os dados da Galáxia do Infinito,
acreditamos ter desvendado a história de como isso pode ter acontecido aqui.
Duas galáxias de disco colidem, formando as estruturas em anel das estrelas que
vemos. Durante a colisão, o gás dentro dessas duas galáxias se choca e se
comprime. Essa compressão pode ser suficiente para formar um nó denso, que
então colapsa em um buraco negro.
Há muitas evidências circunstanciais para isso.
Observamos uma grande faixa de gás ionizado, especificamente hidrogênio, que
perdeu seus elétrons, bem no meio, entre os dois núcleos, ao redor do buraco
negro supermassivo. Também sabemos que o buraco negro está crescendo ativamente
– vemos evidências disso em raios X do Observatório de Raios X Chandra da NASA
e em ondas de rádio do Very Large Array. No entanto, a questão é: ele se formou
ali?
Esta imagem da Galáxia
do Infinito, obtida pela NIRCam do Telescópio Espacial James Webb da NASA, é
sobreposta a um mapa de contorno de dados do radiotelescópio Very Large Array.
O ponto central da emissão de rádio alinha-se perfeitamente com o centro do gás
brilhante detectado no infravermelho entre os dois núcleos das galáxias. A
detecção da emissão de rádio de buracos negros supermassivos informa os
pesquisadores sobre a energética do objeto, especificamente como ele está atraindo
o material circundante.
NASA, ESA, CSA, STScI, VLA, P. van Dokkum (Universidade de Yale)
Há duas outras possibilidades que me
vêm à mente. Primeiro, pode ser um buraco negro descontrolado que foi ejetado
de uma galáxia e está passando por ela. Segundo, pode ser um buraco negro no
centro de uma terceira galáxia no mesmo local no céu. Se estivesse em uma
terceira galáxia, esperaríamos ver a galáxia ao redor, a menos que fosse uma
galáxia anã fraca. No entanto, galáxias anãs não costumam abrigar buracos
negros gigantes.
Se o buraco negro fosse um fugitivo, ou se estivesse
em uma galáxia não relacionada, esperaríamos que ele tivesse uma velocidade
muito diferente da do gás na Galáxia do Infinito. Percebemos que este seria o
nosso teste – medir a velocidade do gás e a velocidade do buraco negro e
compará-las. Se as velocidades forem próximas, talvez 50 quilômetros por
segundo (30 milhas por segundo), torna-se difícil argumentar que o buraco negro
não se formou a partir desse gás.
Solicitamos e obtivemos tempo discricionário do
diretor para acompanhar este objetivo com o Webb, e nossos resultados
preliminares são empolgantes. Primeiro, a presença de uma distribuição
estendida de gás ionizado entre os dois núcleos é confirmada. Segundo, o buraco
negro está perfeitamente no meio da distribuição de velocidades desse gás
circundante – como esperado se tivesse se formado ali. Este é o resultado-chave
que buscávamos!
Terceiro, como um bônus inesperado, descobrimos que
ambos os núcleos galácticos também possuem um buraco negro supermassivo ativo.
Portanto, este sistema tem três buracos negros ativos confirmados: dois muito
massivos em ambos os núcleos galácticos e um entre eles que pode ter se formado
ali.
Não podemos afirmar com certeza que encontramos um
buraco negro em colapso direto. Mas podemos afirmar que esses novos dados
reforçam a hipótese de que estamos diante de um buraco negro recém-nascido, ao
mesmo tempo em que eliminam algumas das explicações conflitantes. Continuaremos
analisando os dados e investigando essas possibilidades.
Sobre o autor
Pieter van Dokkum é professor de astronomia e física
na Universidade de Yale. Ele é o autor principal de um artigo sobre a Galáxia
do Infinito, aceito para publicação pelo The Astrophysical Journal Letters, e
pesquisador principal do programa discricionário 9327 do
Webb Director .
Links relacionados
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pesquisa.
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/addcfe
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