Pequenos objetos vermelhos avistados pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA (JWST) estão proporcionando novas perspectivas sobre as origens das galáxias no universo — e podem representar uma classe completamente nova de objeto celeste: um buraco negro consumindo enormes quantidades de matéria e emitindo luz.
Utilizando os primeiros conjuntos de dados publicados pelo telescópio em 2022, uma equipe internacional de cientistas, incluindo pesquisadores da Penn State, descobriu misteriosos “pequenos pontos vermelhos”. Os pesquisadores sugeriram que os objetos podem ser galáxias tão maduras quanto a nossa atual Via Láctea, que tem aproximadamente 13,6 bilhões de anos, apenas 500 a 700 milhões de anos após o Big Bang.
Informalmente chamados de “quebradores do universo” pela equipe, os objetos foram originalmente considerados galáxias muito mais antigas do que qualquer um esperava no universo infantil — colocando em questão o que os cientistas anteriormente entendiam sobre a formação de galáxias.
Agora, em um artigo publicado em 12 de setembro na revista Astronomy & Astrophysics, a equipe internacional de astrônomos e físicos, incluindo cientistas da Penn State, sugere que os pontos podem não ser galáxias, mas um tipo completamente novo de objeto: uma estrela buraco negro.
Eles afirmaram que sua análise indica que os pequenos pontos de luz podem ser enormes esferas de gás quente que são tão densas que se assemelham às atmosferas de estrelas típicas alimentadas por fusão nuclear; no entanto, em vez de fusão, são alimentadas por buracos negros supermassivos em seu centro que puxam rapidamente a matéria, convertendo-a em energia e emitindo luz.
“Basicamente, observamos pontos vermelhos suficientes até que vimos um que tinha tanto atmosfera que não poderia ser explicado como estrelas típicas que esperaríamos de uma galáxia,” disse Joel Leja, Professor Associado de Astrofísica da Penn State e coautor do artigo. “É uma resposta elegante, na verdade, porque pensávamos que era uma galáxia pequena cheia de muitas estrelas frias separadas, mas é na verdade, efetivamente, uma estrela giganticamente fria.”
Estrelas frias emitem pouca luz devido suas baixas temperaturas em comparação com estrelas normais, explicou Leja. A maioria das estrelas no universo são estrelas frias de baixa massa, mas elas costumam ser mais difíceis de ver, pois são encobertas por estrelas massivas mais luminosas e raras. Astrônomos identificam estrelas frias por seu brilho, que é principalmente no espectro óptico vermelho ou próximo do infravermelho, comprimentos de onda de luz que não são mais visíveis. Enquanto o gás ao redor de buracos negros supermassivos é tipicamente muito quente, milhões de graus Celsius, a luz desses buracos negros “ponto vermelho” era, em vez disso, dominada por gás muito frio, afirmaram os pesquisadores, semelhante às atmosferas de estrelas frias de baixa massa, com base nos comprimentos de onda de luz que estavam emitindo.
O telescópio JWST, o mais poderoso do espaço, foi projetado para observar a gênese do cosmos com instrumentos sensíveis ao infravermelho capazes de detectar a luz emitida pelas mais antigas estrelas e galáxias. Essencialmente, o telescópio permite que os cientistas vejam de volta no tempo cerca de 13,5 bilhões de anos, perto do início do universo como o conhecemos, explicou Leja.
Desde o momento em que o telescópio começou a operar, pesquisadores em todo o mundo começaram a avistar “pequenos pontos vermelhos”, objetos que pareciam muito mais massivos do que os modelos de galáxias previam. No início, Leja disse que ele e seus colegas pensavam que os objetos eram galáxias maduras, que tendem a ficar mais vermelhas à medida que as estrelas dentro delas envelhecem. Mas os objetos eram brilhantes demais para serem explicados — as estrelas precisariam estar agrupadas nas galáxias com uma densidade impossível.
“O céu noturno de uma galáxia como essa seria deslumbrantemente brilhante,” disse Bingjie Wang, agora um NASA Hubble Fellow na Universidade de Princeton, que trabalhou no artigo como pesquisador de pós-doutorado na Penn State. “Se essa interpretação for correta, isso implica que estrelas se formaram através de processos extraordinários que nunca foram observados antes.”
Para entender melhor o mistério, os pesquisadores precisavam de espectros, um tipo de dado que poderia fornecer informações sobre quanta luz os objetos emitiram em diferentes comprimentos de onda. Entre janeiro e dezembro de 2024, os astrônomos usaram cerca de 60 horas do tempo do Webb para obter espectros de um total de 4.500 galáxias distantes. É um dos maiores conjuntos de dados espectroscópicos já obtidos com o telescópio.
Em julho de 2024, a equipe avistou um objeto com um espectro que indicava uma enorme quantidade de massa, tornando-se o caso mais extremo de um objeto tão antigo e grande. Os astrônomos deram a esse objeto o apelido de “The Cliff”, marcando-o como o caso de teste mais promissor para investigar o que eram aqueles “pequenos pontos vermelhos”.
“As propriedades extremas de The Cliff nos forçaram a voltar à prancheta e a criar novos modelos,” disse Anna de Graaff, pesquisadora do Instituto Max Planck de Astronomia e autora correspondente do artigo, em um comunicado do Instituto Max Planck.
O objeto estava tão distante que sua luz levou cerca de 11,9 bilhões de anos para chegar à Terra. A análise do espectro dessa luz indicou que na verdade era um buraco negro supermassivo, puxando seu entorno a tal taxa que o envolveu em uma bola flamejante de gás hidrogênio. A luz que Leja e seus colegas avistaram não vinha de aglomerados densos de estrelas, mas de um único objeto gigantesco.
Buracos negros estão no centro da maioria das galáxias, explicou Leja. Em alguns casos, esses buracos negros são milhões ou até bilhões de vezes mais massivos que o sol do nosso sistema solar, puxando a matéria próxima com tal força que ela se converte em energia e brilha.
“Ninguém nunca soube realmente por que ou onde esses buracos negros gigantes nos centros das galáxias vêm,” disse Leja, que também é afiliado ao Instituto de Ciências Computacionais e de Dados da Penn State. “Essas estrelas buraco negro podem ser a primeira fase de formação dos buracos negros que vemos nas galáxias de hoje — buracos negros supermassivos em seu estágio inicial de vida.”
Ele acrescentou que o JWST já encontrou sinais de buracos negros de alta massa no early universe. Esses novos objetos de estrelas buraco negro, que são essencialmente construtores de massa turboalimentados, poderiam ajudar a explicar a evolução inicial do universo — e podem ser uma adição bem-vinda aos modelos atuais. A equipe planeja trabalhos futuros para testar essa hipótese examinando a densidade do gás e a força dessas estrelas buraco negro iniciais, disse Leja.
É claro que os misteriosos “pequenos pontos vermelhos” estão a grandes distâncias, tanto em tempo quanto em espaço — e seu pequeno tamanho torna especialmente desafiador obter uma imagem clara.
“Esta é a melhor ideia que temos e realmente a primeira que se encaixa em quase todos os dados, então agora precisamos desenvolvê-la mais,” disse Leja. “Está tudo bem estar errado. O universo é muito mais estranho do que podemos imaginar e tudo o que podemos fazer é seguir suas pistas. Ainda há grandes surpresas por aí para nós.”
Uma lista completa de autores está disponível no artigo. Os aspectos da Penn State deste trabalho foram financiados pela NASA.
