Legacy Surveys / unWISE / NASA/JPL-Caltech / D. Lang (Perimeter Institute)
Galáxias anãs não deveriam ter grandes buracos negros. Sua descoberta surpresa revelou pistas sobre como os maiores buracos negros do universo poderiam ter se formado.
Em 2008, Marta Volonteri ajudou a desenvolver uma proposta radical: os astrônomos deveriam procurar na menor das galáxias por buracos negros colossais – gigantes pesando muitos milhares de massas solares. Se eles pudessem encontrá-los, ela raciocinou, os objetos poderiam nos ensinar como os primeiros buracos negros do universo se formaram.
O único problema era que os grandes buracos negros não deveriam existir em pequenas galáxias. Galáxias “anãs” de camarão pareciam não ter o músculo gravitacional necessário para compactar massa suficiente em um buraco negro. Para muitos pesquisadores, parecia que Volonteri e seus colaboradores estavam sugerindo o equivalente astrofísico de encontrar um brontossauro em uma banheira.
“Os buracos negros em galáxias anãs não eram concebíveis”, disse Volonteri, agora no Instituto de Astrofísica do CNRS em Paris.
Então os astrônomos começaram a encontrar os animais. Nos últimos anos, telescópios poderosos e estratégias de observação inovadoras permitiram aos pesquisadores examinar mais de perto as galáxias anãs. Quando isso acontece, os buracos negros aparecem. As descobertas destacam o quão pouco os astrofísicos sabem sobre quais tipos de buracos negros habitam o universo e os desafios que os teóricos enfrentam para explicar de onde todos eles vieram. Uma contagem cada vez mais precisa pode ajudar a explicar finalmente os primeiros e maiores buracos negros do universo.
“As pessoas continuam encontrando mais deles”, disse Ryan Hickox, astrônomo do Dartmouth College que recentemente ajudou a localizar um. “Pode haver muito mais dessas coisas nessas galáxias do que poderíamos encontrar usando as técnicas tradicionais.”
Fora do mapa
Galáxias anãs são território astronômico relativamente desconhecido. De dez a 100 vezes mais leves que a Via Láctea, eles não têm a força gravitacional para se puxarem para as formas arredondadas e organizadas passíveis de teorização. Eles também são irregulares, escuros e geralmente difíceis de estudar em detalhes. “Eles são uma bagunça total”, disse Volonteri.
Mas os pequenos emaranhados de estrelas guardam segredos que as galáxias maiores esqueceram. Os pesquisadores acreditam que galáxias como a Via Láctea são produtos de retalhos de mais de 10 bilhões de anos de mashups, nos quais as galáxias colidem repetidamente com suas vizinhas, crescendo cada vez mais. As galáxias anãs permanecem pequenas porque evitaram encontros com outras galáxias ou porque se formaram há relativamente pouco tempo e ainda não tiveram muitas chances de colidir. “São lugares mais silenciosos do universo”, disse Priyamvada Natarajan, astrofísico da Universidade de Yale que trabalhou com Volonteri na pesquisa (e que atualmente é membro do conselho consultivo desta revista).
Desta forma, as galáxias anãs se assemelham às primeiras galáxias. Nos primeiros bilhões de anos do universo, quando as galáxias estavam apenas começando, elas forjaram as primeiras estrelas – e os primeiros buracos negros. Muitas dessas galáxias colidiram ao longo do tempo e seus buracos negros se fundiram. Através de uma mistura de fusões e deglutição de matéria, os primeiros buracos negros “sementes” cresceram nos monstros com bilhões de massas solares que parecem estar no coração de todas as grandes galáxias hoje.
Mas as galáxias anãs não experimentaram muitas fusões e tendem a ter menos matéria para alimentar seus buracos negros. Essas condições únicas teriam maior probabilidade de congelar buracos negros em estados relativamente subdesenvolvidos, semelhantes a sementes, raciocinaram Volonteri e Natarajan. Se, isto é, as galáxias anãs tivessem grandes buracos negros.
Os astrônomos normalmente detectam buracos negros que se alimentam ativamente nos centros de grandes galáxias pelos jatos incrivelmente brilhantes que emitem, que abafam as estrelas ao redor. Mas na época da proposta de Volonteri e Natarajan, os pesquisadores não tinham visto sinais claros de tais frenesi de alimentação em galáxias anãs. Muitos astrônomos questionaram a existência dos objetos.
Então, em 2013, os pesquisadores descobriram o filão principal.
Amy Reines, uma astrofísica agora na Montana State University, liderou uma análise de dados do Sloan Digital Sky Survey procurando padrões energéticos de luz visível típicos de buracos negros em festa. Das cerca de 25.000 galáxias anãs que seu algoritmo vasculhou, 151 mostraram sinais de abrigar buracos negros crescentes de centenas de milhares de massas solares. Eles eram candidatos não confirmados, mas seu número deixava pouco espaço para dúvidas: galáxias anãs poderiam esculpir buracos negros maciços.
De repente, a proposta de Volonteri parecia menos radical. “Eu disse: ‘Obrigado, Amy. Você me faz sentir como se eu fosse uma pessoa razoável'”, lembrou ela.
Um brilho de romance
Agora, os astrônomos descobriram novas maneiras de encontrar mais desses gigantes ocultos.
Mallory Molina, uma astrônoma que colabora com Reines no estado de Montana, tropeçou em uma nova técnica por pura sorte. Ao tentar confirmar um dos candidatos de Reines em uma pesquisa de rádio, Molina notou um brilho laranja particular. A radiação era um sinal revelador de átomos de ferro que haviam sido tão golpeados que perderam nove elétrons – a chamada linha “Fe X” (ou “Iron 10”). Os pesquisadores verificaram outro candidato e encontraram a mesma característica. Embora nenhum dos objetos tivesse a aparência tradicional de um buraco negro se alimentando, era difícil imaginar o que mais poderia estar causando tanta violência aos átomos de ferro.
Molina escreveu um código para pesquisar cerca de 46.000 galáxias anãs observadas pelo Sloan Digital Sky Survey e descobriu que 81 galáxias brilhavam com o fraco laranja de ferro danificado. Molina e seus colegas argumentam que nessas galáxias anãs, um buraco negro gigante está aquecendo o gás ao seu redor o suficiente para explodir elétrons de seus átomos. Eles publicaram suas descobertas no The Astrophysical Journal em novembro.
Esses buracos negros ocupam galáxias além do alcance de pesquisas anteriores, que lutaram para distinguir o brilho dos buracos negros ativos contra o brilho deslumbrante das estrelas bebês. (Molina compara o esforço a procurar uma lanterna enquanto um holofote brilha em seus olhos.) A cor distinta da linha Fe X faz com que grandes buracos negros apareçam no fundo, mostrando que anões menores com muitos berçários estelares também podem hospedar gigantes buracos negros.
“Estou muito feliz em ver que existem novas maneiras de encontrar buracos negros”, disse Volonteri, que não esteve envolvido na pesquisa. “Eles são tão fracos. É por isso que era tão sem esperança.”
Os telescópios espaciais também ajudaram a revelar buracos negros ocultos. No ano passado, Hickox e seu aluno Jack Parker reexaminaram oito casos de borda relativamente próximos da pesquisa de 2013 de Reines. Eles apontaram o observatório de raios-X Chandra da NASA, baseado no espaço, para cada galáxia anã por cerca de quatro horas. Uma das oito galáxias tinha uma mancha em seu centro que brilhava mais forte com raios X de alta energia do que com raios X de baixa energia, sugerindo que a radiação estava perfurando uma densa nuvem de gás – exatamente o tipo de nuvem que poderia ser encobrindo completamente buracos negros em galáxias mais distantes. Eles descreveram seus resultados em uma conferência da American Astronomical Society em janeiro e estão preparando-os para publicação.
Embora os resultados aumentem as chances de que muitas galáxias anãs tenham buracos negros massivos, a fração que os possui permanece muito debatida. Em 2008, os astrônomos teriam dito que essa fração era próxima de zero. O número verdadeiro depende da porcentagem de buracos negros que estão se alimentando ativamente (e, portanto, brilhando) e da porcentagem de buracos negros brilhantes que estão envoltos por gás e poeira. Se essas porcentagens forem semelhantes às observadas em seus irmãos supermassivos (o que atualmente é um grande se), buracos negros massivos podem residir na maioria das galáxias anãs.
“Esse argumento de que eles não são tão comuns pode estar começando a desmoronar”, disse Hickox.
Os primeiros buracos negros
Quando Volonteri pediu pela primeira vez aos astrônomos que descobrissem quão comuns eram os buracos negros de galáxias anãs em 2008, ela o fez porque a resposta pode ajudar a distinguir entre duas explicações para uma descoberta aparentemente impossível.
Alguns anos antes, o Sloan Digital Sky Survey havia visto buracos negros de bilhões de massas solares que remontam ao primeiro bilhão de anos do universo. Os astrônomos não conseguiam descobrir como eles ficaram tão pesados tão rapidamente. Era como encontrar um grupo de sequoias altas em uma ilha vulcânica ainda fumegante. Ou eles dispararam incrivelmente rápido, ou já estavam parcialmente crescidos.
A descoberta estimulou pesquisas explorando ambas as possibilidades. Alguns astrofísicos desenvolveram teorias de ambientes extra-gasosos que permitiriam que pequenos buracos negros de sementes – os cadáveres das primeiras estrelas – experimentassem surtos de crescimento sustentados. Outros detalharam maneiras pelas quais circunstâncias especiais poderiam persuadir bolas gigantes de gás a pular o estrelato e colapsar diretamente em uma grande semente, começando a vida como um buraco negro já pesando milhares de massas estelares.
A teoria da grande semente ganhou popularidade, em parte porque os buracos negros de galáxias anãs pareciam tão raros, o que apoiou a ideia de que um evento especial seria necessário para impulsionar o crescimento. Agora, alguns astrônomos estão se perguntando se a onda de novos buracos negros revive parcialmente a noção de pequenas sementes.
“É meio que implicando que o colapso direto pode não ser o fim de tudo de como a primeira geração de buracos negros se formou”, disse Molina.
Mas o trabalho recente complicou o debate. Natarajan descobriu que o cosmos pode produzir sementes grandes e pequenas ao longo de sua história. No entanto, ela chamou as novas observações de “super úteis” para descobrir grupos negligenciados de buracos negros que as teorias de formação precisarão explicar.
“Temos um censo incompleto de buracos negros”, disse ela. “O material de raios-X é realmente útil para nos ajudar a descobrir a população obscurecida.”
A próxima grande peça do quebra-cabeça virá do Telescópio Espacial James Webb, lançado em dezembro. A visão aguçada do instrumento deve captar o brilho dos buracos negros ainda mais profundos no passado, dando aos astrônomos uma visão mais direta do que aconteceu no início do universo logo após a formação das primeiras sementes de buracos negros – uma perspectiva que alguns pesquisadores têm antecipado. toda a sua carreira.
Em 2003, quando Volonteri estava terminando seu doutorado em teorias de formação de buracos negros, seu orientador disse a ela que “muito em breve o JWST voará, e podemos provar que suas teorias estão certas ou erradas”, lembrou Volonteri. “Estou muito esperançoso desde então.”
Publicado em 15/03/2022 15h16
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