Raio X: NASA/CXC/SAO/Ákos Bogdán; Infravermelho: NASA/ESA/CSA/STScI; Processamento de imagem: NASA/CXC/SAO/L. Frattare & K. Arcand
Os astrônomos descobriram o buraco negro mais distante já visto em raios X, usando telescópios da NASA. O buraco negro está numa fase inicial de crescimento nunca antes observada, onde a sua massa é semelhante à da sua galáxia hospedeira.
Este resultado pode explicar como se formaram alguns dos primeiros buracos negros supermassivos do Universo.
Ao combinar dados do Observatório de Raios-X Chandra da NASA e do Telescópio Espacial James Webb da NASA, uma equipe de investigadores conseguiu encontrar a assinatura reveladora de um buraco negro em crescimento apenas 470 milhões de anos após o big bang.
“Precisávamos do James Webb para encontrar esta galáxia notavelmente distante e do Chandra para encontrar o seu buraco negro supermassivo”, disse Akos Bogdan do Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA), que lidera um novo artigo na revista Nature Astronomy descrevendo estes resultados. “Também aproveitamos uma lupa cósmica que aumentou a quantidade de luz que detectamos.” Este efeito de ampliação é conhecido como lente gravitacional.
Bogdan e a sua equipe encontraram o buraco negro numa galáxia chamada UHZ1 na direção do aglomerado de galáxias Abell 2744, localizado a 3,5 bilhões de anos-luz da Terra. Os dados do James Webb, no entanto, revelaram que a galáxia está muito mais distante do que o enxame, a 13,2 bilhões de anos-luz da Terra, quando o Universo tinha apenas 3% da sua idade atual.
Depois, mais de duas semanas de observações com o Chandra mostraram a presença de gás intenso e superaquecido que emite raios X nesta galáxia – uma marca registrada de um buraco negro supermassivo em crescimento. A luz da galáxia e os raios X do gás em torno de seu buraco negro supermassivo são ampliados em cerca de um fator de quatro pela matéria interveniente em Abell 2744 (devido às lentes gravitacionais), aumentando o sinal infravermelho detectado pelo James Webb e permitindo que o Chandra detecte a fraca fonte de raios X.
Esta descoberta é importante para compreender como alguns buracos negros supermassivos podem atingir massas colossais logo após o big bang. Será que se formam diretamente a partir do colapso de enormes nuvens de gás, criando buracos negros com peso entre 10.000 e 100.000 sóis? Ou provêm de explosões das primeiras estrelas que criam buracos negros pesando apenas entre 10 e 100 Sóis?
“Existem limites físicos para a rapidez com que os buracos negros podem crescer depois de formados, mas aqueles que nascem com maior massa têm uma vantagem inicial. É como plantar uma muda, que leva menos tempo para crescer e se tornar uma árvore em tamanho real do que se você começasse apenas com uma semente”, disse Andy Goulding, da Universidade de Princeton. Goulding é coautor do artigo da Nature Astronomy e autor principal de um novo artigo no The Astrophysical Journal Letters que relata a distância e a massa da galáxia usando um espectro do James Webb.
A equipe de Bogdan encontrou fortes evidências de que o buraco negro recém-descoberto nasceu massivo. Estima-se que sua massa esteja entre 10 e 100 milhões de sóis, com base no brilho e na energia dos raios X. Esta gama de massa é semelhante à de todas as estrelas da galáxia onde vive, o que contrasta fortemente com os buracos negros nos centros das galáxias do universo próximo, que normalmente contêm apenas cerca de um décimo de por cento da massa da sua massa. hospedar as estrelas da galáxia.
A grande massa do buraco negro em uma idade jovem, mais a quantidade de raios X que ele produz e o brilho da galáxia detectado pelo James Webb, todos concordam com as previsões teóricas de 2017 do coautor Priyamvada Natarajan, da Universidade de Yale, para um ” Buraco Negro Extraordinário” que se formou diretamente a partir do colapso de uma enorme nuvem de gás.
“Achamos que esta é a primeira detecção de um ‘buraco negro de tamanho extraordinário’ e a melhor evidência já obtida de que alguns buracos negros se formam a partir de nuvens massivas de gás”, disse Natarajan. “Pela primeira vez estamos a observar uma breve fase em que um buraco negro supermassivo pesa quase tanto como as estrelas da sua galáxia, antes de ficar para trás.”
Os investigadores planeiam usar este e outros resultados provenientes do James Webb e daqueles que combinam dados de outros telescópios para preencher uma imagem mais ampla do Universo primitivo.
O Telescópio Espacial Hubble da NASA mostrou anteriormente que a luz de galáxias distantes é altamente ampliada pela matéria no aglomerado de galáxias intermediário, fornecendo parte da motivação para as observações do James Webb e Chandra descritas aqui.
O artigo que descreve os resultados da equipe de Bogdan aparece na Nature Astronomy, e uma pré-impressão está disponível online.
Os dados do James Webb usados em ambos os artigos fazem parte de uma pesquisa chamada Ultradeep Nirspec e nirCam Observations before the Epoch of Reionization (UNCOVER). O artigo liderado pelo membro da equipe UNCOVER, Andy Goulding, aparece no Astrophysical Journal Letters. Os coautores incluem outros membros da equipe UNCOVER, além de Bogdan e Natarajan. Um artigo de interpretação detalhado que compara as propriedades observadas de UHZ1 com modelos teóricos para galáxias de grandes buracos negros será publicado em breve.
O Marshall Space Flight Center da NASA gerencia o programa Chandra. O Centro de Raios-X Chandra do Observatório Astrofísico Smithsonian controla as operações científicas de Cambridge, Massachusetts, e as operações de voo de Burlington, Massachusetts.
O Telescópio Espacial James Webb é o principal observatório de ciências espaciais do mundo. O James Webb está resolvendo mistérios em nosso sistema solar, olhando além, para mundos distantes em torno de outras estrelas, e investigando as misteriosas estruturas e origens de nosso universo e nosso lugar nele. O James Webb é um programa internacional liderado pela NASA com os seus parceiros, a ESA (Agência Espacial Europeia) e a Agência Espacial Canadense.
Publicado em 06/11/2023 22h24
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