Uma equipe internacional de astrônomos, liderada pelo Cosmic Frontier Center da Universidade do Texas em Austin, identificou o buraco negro mais distante já confirmado. Ele e a galáxia à qual pertence, CAPERS-LRD-z9, existem 500 milhões de anos após o Big Bang. Isso o coloca a 13,3 bilhões de anos no passado, quando nosso universo tinha apenas 3% da sua idade atual. Assim, oferece uma oportunidade única para estudar a estrutura e a evolução deste período enigmático.
“Quando estamos à procura de buracos negros, este é praticamente o mais distante que podemos ir. Estamos realmente ampliando os limites do que a tecnologia atual pode detectar”, disse Anthony Taylor, pesquisador de pós-doutorado no Cosmic Frontier Center e líder da equipe que fez a descoberta. Sua pesquisa foi publicada em 6 de agosto no Astrophysical Journal.
“Embora os astrônomos tenham encontrado alguns candidatos ainda mais distantes”, acrescentou Steven Finkelstein, coautor do artigo e diretor do Cosmic Frontier Center, “eles ainda não encontraram a distinta assinatura espectroscópica associada a um buraco negro.”
Com a espectroscopia, os astrônomos dividem a luz em suas muitas wavelengths para estudar as características de um objeto. Para identificar buracos negros, eles buscam evidências de gás em movimento rápido. À medida que ele circula e cai em um buraco negro, a luz do gás que se afasta de nós é esticada para comprimentos de onda muito mais vermelhos, enquanto a luz do gás que se aproxima é comprimida para comprimentos de onda mais azuis. “Existem poucas outras coisas que criam essa assinatura”, explicou Taylor. “E esta galáxia a possui!”
A equipe utilizou dados do programa CAPERS (CANDELS-Area Prism Epoch of Reionization Survey) do Telescópio Espacial James Webb em sua busca. Lançado em 2021, o JWST oferece as vistas mais distantes do espaço disponíveis, e o CAPERS fornece observações da borda mais externa.
“O primeiro objetivo do CAPERS é confirmar e estudar as galáxias mais distantes”, disse Mark Dickinson, coautor do artigo e líder da equipe CAPERS. “A espectroscopia do JWST é a chave para confirmar suas distâncias e entender suas propriedades físicas.”
Inicialmente visto como uma mancha interessante nas imagens do programa, CAPERS-LRD-z9 revelou-se parte de uma nova classe de galáxias conhecidas como “Little Red Dots.” Presentes apenas nos primeiros 1,5 bilhões de anos do universo, essas galáxias são muito compactas, vermelhas e inesperadamente brilhantes.
“A descoberta dos Little Red Dots foi uma grande surpresa nos primeiros dados do JWST, pois eles não se pareciam em nada com as galáxias vistas com o Telescópio Espacial Hubble”, explicou Finkelstein. “Agora, estamos no processo de descobrir como são e como surgiram.”
CAPERS-LRD-z9 pode ajudar os astrônomos a fazer exatamente isso.
Por um lado, essa galáxia acrescenta evidências crescentes de que buracos negros supermassivos são a fonte do brilho inesperado nos Little Red Dots. Geralmente, esse brilho indicaria uma abundância de estrelas em uma galáxia. No entanto, os Little Red Dots existem em um tempo em que uma massa tão grande de estrelas é improvável.
Por outro lado, os buracos negros também brilham intensamente. Isso ocorre porque eles comprimem e aquecem os materiais que estão consumindo, criando uma enorme luz e energia. Ao confirmar a existência de um em CAPERS-LRD-z9, os astrônomos encontraram um exemplo marcante dessa conexão nos Little Red Dots.
A galáxia recém-descoberta também pode ajudar a responder o que causa a distinta cor vermelha nos Little Red Dots. Isso pode ser devido a uma espessa nuvem de gás que envolve o buraco negro, distorcendo sua luz em comprimentos de onda mais vermelhos à medida que passa por ela. “Vimos essas nuvens em outras galáxias”, explicou Taylor. “Quando comparamos este objeto com essas outras fontes, ele era uma correspondência perfeita.”
Esta galáxia também é notável pelo quão colossal é seu buraco negro. Estimado em até 300 milhões de vezes a massa do nosso sol, sua massa representa até metade de todas as estrelas de sua galáxia. Mesmo entre os buracos negros supermassivos, este é particularmente grande.
Encontrar um buraco negro tão massivo tão cedo oferece aos astrônomos uma oportunidade valiosa de estudar como esses objetos se desenvolveram. Um buraco negro presente no universo posterior terá tido diversas oportunidades de aumentar sua massa durante sua vida. Mas um presente nos primeiros poucos cem milhões de anos não teria. “Isso acrescenta evidências crescentes de que os buracos negros primordiais cresceram muito mais rápido do que pensávamos possível”, disse Finkelstein. “Ou eles começaram muito mais massivos do que nossos modelos preveem.”
Para continuar sua pesquisa sobre CAPERS-LRD-z9, a equipe espera reunir mais observações de alta resolução usando o JWST. Isso pode fornecer uma visão maior sobre ele e o papel que os buracos negros desempenharam no desenvolvimento dos Little Red Dots. “Este é um bom objeto de teste para nós”, disse Taylor. “Não conseguimos estudar a evolução dos buracos negros primordiais até recentemente, e estamos empolgados para ver o que podemos aprender com este objeto único.”
Dados adicionais para a pesquisa foram obtidos do Instrumento Espectroscópico de Energia Escura (DESI) no Observatório Nacional Kitt Peak, um programa do NSF NOIRLab.